本文探討了LED照明中色溫因素對(duì)照明效果、顯色指數(shù)及對(duì)人視覺(jué)能力的影響、實(shí)現(xiàn)LED照明色溫可調(diào)節(jié)的方法及色溫在LED檢測(cè)中的影響;并嘗試?yán)迷贚ED照明光學(xué)系統(tǒng)中加入降色溫光學(xué)薄膜的方法，對(duì)影響LED照明效果、顯色指數(shù)、視覺(jué)感受及光強(qiáng)檢測(cè)的色溫因素進(jìn)行探討。此外也探討了在照明、影視及攝影等眾多LED照明應(yīng)用領(lǐng)域中達(dá)到理想光色方法中色溫的影響因素。

     關(guān)鍵詞：LED照明，色溫，升降色溫光學(xué)薄膜，顯色指數(shù)，自然白光。

     隨著白光LED技術(shù)的迅速發(fā)展，LED照明正逐步進(jìn)入了各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是LED發(fā)光效率超越白熾燈及熒光燈后，LED照明正逐步以其顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)拓展到占全球電力消耗2成的普通照明領(lǐng)域。目前，全球LED的市場(chǎng)超過(guò)100億美元，并以年均增長(zhǎng)率超過(guò)20%發(fā)展起來(lái)一個(gè)新型的“綠色照明”工業(yè)[1]。

     目前，在LED照明中，白光LED的發(fā)光效率、配光設(shè)計(jì)、光衰等問(wèn)題都已得到了很好地改善。但在LED顯色指數(shù)、色溫及對(duì)人視覺(jué)能力的影響方面，由于目前以InGaNa藍(lán)色LED芯片為基礎(chǔ)光源激發(fā)稀土石榴石黃色熒光粉的混色方法所限，在作為普通照明光源的白光LED的光譜、色品坐標(biāo)、相關(guān)色溫及顯色指數(shù)等均很難符合現(xiàn)行的CIE及我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

     從LED發(fā)光光譜上來(lái)分析，由于此種混色方案中，藍(lán)光光譜過(guò)高而紅光光譜的偏少(見(jiàn)圖1)[3]，使得此類(lèi)白光LED色溫只能是5000K以上的高色溫光源，低顯色性的。日前主流白光LED色溫主要集中在5600-6500K。

     而現(xiàn)有主流普通民用燈具(如白熾燈及道路用高壓鈉床)則是低色溫，色溫主要集中在2700-3200K。而由于生理因素及心理習(xí)慣因素使然，人們已習(xí)慣于現(xiàn)有主流照明燈具低色溫下的舒適感及可視度。對(duì)于白光LED普遍認(rèn)為過(guò)于刺眼，這其實(shí)就是由于白光LED的色溫范圍恰好相當(dāng)于太陽(yáng)自然白光的色溫范圍(5500-6800)內(nèi)。

     對(duì)紅、綠、藍(lán)三基色LED組合發(fā)射的白光，調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)的工作電流可以使顯色性得到一定的提高，甚至能使顯色指數(shù)達(dá)到90。但是這種方法電流的調(diào)節(jié)復(fù)雜，成本較大;且不同的基色光衰程度不同，從而導(dǎo)致一致性較差。

     所以，作為民用照明用的LED光源一般采用熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED(此類(lèi)白光LED顯色指數(shù)一般為80左右)。但此類(lèi)白光LED光源的光色特性受到工作電流和溫度的影響又比較明顯。表1所示為不同工作溫度下LED光源的參數(shù)變化[4]，由此可見(jiàn)隨著白光LED燈具溫度升高，不僅發(fā)光效率有所下降，其色溫也明顯升高了。當(dāng)溫度大于50℃時(shí)，色溫偏高，顯色指數(shù)隨之下降。主要由于溫度升高，藍(lán)光波峰紅移，熒光粉波峰變平坦而劣化。

     因此，與白熾燈和高壓鈉燈等常用燈具相比，熒光粉白光LED在色溫與顯色指數(shù)方面的劣勢(shì)難以通過(guò)工況方面的方法解決，目前研究人員也試圖通過(guò)摻雜紅色熒光體等方法研發(fā)低色溫高顯色性的白光LED，但由于此類(lèi)白光LED中激發(fā)藍(lán)光的減少、紅光與近紅外光部分增多對(duì)散熱的影響、LED封裝技術(shù)及成本因素的限制，此類(lèi)白光LED的發(fā)光強(qiáng)度必然會(huì)有所下降。如表2所示[5]。

     為了降低白光LED的色溫，提高其顯色性與視覺(jué)效果，除了在其芯片、發(fā)光材料與封裝結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)，也可以嘗試在LED照明光學(xué)系統(tǒng)中加入降色溫光學(xué)薄膜的方法達(dá)到降低LED燈具的色溫。

     圖2給出了常用降色溫濾光片的光譜曲線(xiàn)。降色溫光學(xué)薄膜是在LED燈具前鍍制多層的光學(xué)干涉薄膜，通過(guò)調(diào)整薄膜的厚度與折射率的排列，針對(duì)白光LED發(fā)光曲線(xiàn)，抑制高色溫波段光的通過(guò)，以達(dá)到使透過(guò)光線(xiàn)色溫降低的目的。與之原理類(lèi)似的還有升色溫濾光片。升、降色溫濾光片廣泛應(yīng)用于攝影、影視等領(lǐng)域，調(diào)節(jié)色溫，補(bǔ)償色彩，以適應(yīng)不同光線(xiàn)、環(huán)境下的需要。

     降色溫濾光片在LED照明光學(xué)系統(tǒng)中的嘗試應(yīng)用有顯著的效果，目前已經(jīng)有研究人員針對(duì)超高亮度白色LED開(kāi)發(fā)了一系列降色溫光學(xué)薄膜，可根據(jù)應(yīng)用需求將原色溫為5500K的白色LED降為色溫4500K~2800K等。

降色溫濾光片可以應(yīng)用在多種場(chǎng)合的LED照明中：

     在城市道路照明中應(yīng)用LED燈具與現(xiàn)有主流照明比較，其中主要的分歧點(diǎn)正是色溫因素的爭(zhēng)論。LED路燈支持者認(rèn)為，高色溫白光用于道路照明有中間視覺(jué)效應(yīng)，可視性好，感覺(jué)比低色溫黃光更明亮;反對(duì)者則認(rèn)為，低色溫黃光透霧性好，感覺(jué)溫暖，比“刺眼”的高色溫白光更受市民歡迎[5]。

     目前，綜合發(fā)光效率與降低色溫的考慮，LED城市道路照明中主流色溫區(qū)間在5500-6500K之間，若再降低色溫，則LED發(fā)光效率必然難以達(dá)到使用要求或要增加成本了。故此對(duì)于高效率，高色溫的LED路燈，在其照明系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用降色溫濾光片，可以達(dá)到效率降低較小而色溫大幅降低的效果。同時(shí)，針對(duì)不同人群、環(huán)境對(duì)于照明光源色溫的不同要求，可以采用不同的降色溫光學(xué)薄膜，而不用對(duì)LED進(jìn)行大的改造，很大地提高了LED照明的適用范圍。

     在攝影、影視等對(duì)色彩、色溫要求較高的場(chǎng)所，LED照明的應(yīng)用受到更大的限制。中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電視演播室燈光系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(條文說(shuō)明)的第二條[6]中規(guī)定：

“演播室演區(qū)光的色溫，國(guó)外有兩種標(biāo)準(zhǔn)：3050±150K;3000±150K，經(jīng)過(guò)在國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)色溫為2850K時(shí)，白平衡被破壞，電視圖像色調(diào)欠佳。故本規(guī)范確定演區(qū)光的色溫為3050±150K?！?

     而對(duì)彩色電影膠片而言，有燈光型膠片和目光型膠片兩種。用鹵鎢燈照明時(shí)用燈光型膠片，在日光下拍片時(shí)用日光型膠片。在彩色電視中，攝像機(jī)只允許在大約3000K的色溫下才能得到良好的色再現(xiàn)。這些都對(duì)照明光源提出了嚴(yán)格的色溫要求，而前文所述的降色溫濾光片則可以較好地以低成本解決白光LED在這些場(chǎng)所應(yīng)用的問(wèn)題。

結(jié)論：

     白光LED的色溫和顯色性是其應(yīng)用推廣的一大劣勢(shì)。紅、綠、藍(lán)三基色LED組合發(fā)射的白光顯色性較好但調(diào)節(jié)復(fù)雜且一致性較差，常用的熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED在這方面的劣勢(shì)也難以通過(guò)工況方面的方法解決，摻雜紅色熒光體等方法制作的白光LED的發(fā)光強(qiáng)度則有所下降。為了降低白光LED的色溫，提高其顯色性與視覺(jué)效果，可以嘗試在LED照明光學(xué)系統(tǒng)中加入降色溫濾光片的方法。

     降色溫濾光片在LED照明光學(xué)系統(tǒng)中的嘗試應(yīng)用有顯著的效果，可根據(jù)應(yīng)用需求將原色溫為5200K的白光LED降為色溫4500K~2800K等。降溫濾光片在LED城市照明、攝影、影視等領(lǐng)域能很好地解決白光LED色溫過(guò)高的問(wèn)題，推進(jìn)其在此類(lèi)場(chǎng)所中的應(yīng)用。