高演色LED照明技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

LED照明產(chǎn)品的演色性，在照明質(zhì)量的前提下成為LED光源產(chǎn)品規(guī)劃與技術(shù)突破項(xiàng)目。從太陽(yáng)光、白熾燈、水銀燈、白光LED的波長(zhǎng)表現(xiàn)對(duì)照可知，日常光源非「能夠亮」就好，還需考慮光源亮度、照物的色彩還原，理想的人造光源必須以太陽(yáng)光日照感覺為依規(guī)。以藍(lán)光LED混合YAG熒光粉的白色LED，存有綠光能隙(Green Gap)對(duì)綠色演色性較差及缺乏紅色反應(yīng)問(wèn)題，因此在CRI色坐標(biāo)上呈現(xiàn)R9=0檢測(cè)結(jié)果。演色性直接影響照物在燈光下原始顏色的還原能力，在博物館、表演廳、百貨公司、藝?yán)鹊葘?duì)色彩要求高的場(chǎng)所，演色性為光源要求的重要項(xiàng)目。LED若成為取代各類型光源及白熾燈、高耗能光源，需具備高演色性。

圖1、常見LED混合白光方式，Source：拓產(chǎn)業(yè)研究所整理，2012/08

一. 照明產(chǎn)品為何需對(duì)于演色性具備要求?

LED照明產(chǎn)品的演色性在日趨要求照明質(zhì)量的前提下，成為L(zhǎng)ED光源發(fā)展的下一個(gè)產(chǎn)品規(guī)劃與技術(shù)突破的重要項(xiàng)目。Energy Star在2011年5月所頒布的LED球泡型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，明定LED照明產(chǎn)品的演色指數(shù)(CRI)最低不能低于80，且對(duì)紅色顯色性必須大于零，這表示演色指數(shù)占照明光源質(zhì)量相當(dāng)重要的一環(huán)。

(一) 各類型光源波長(zhǎng)與演色性分析

圖一及表一說(shuō)明目前常用之各類型光源的演色表現(xiàn)與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖一比較了太陽(yáng)光、白熾燈、水銀燈、白光LED的波長(zhǎng)表現(xiàn)，對(duì)照太陽(yáng)光線后可清楚得知為何使用于日常生活中的光源并非「能夠亮」就好，還需要考慮光源亮度、照物的色彩還原等特性，其主因在于理想的人造光源須以太陽(yáng)光日照感覺為依規(guī)。

圖2、各類型光源波長(zhǎng)說(shuō)明，ource：拓產(chǎn)業(yè)研究所整理，2012/08

圖一的黃色線條為太陽(yáng)的波長(zhǎng)及釋放能量，對(duì)照目前各類型光源，只有白熾燈(鎢絲燈)最符合太陽(yáng)光源的波長(zhǎng)分布狀況，由于白熾燈與鹵素?zé)舻陌l(fā)光方式一致，因此無(wú)論是白熾燈或鹵素?zé)?，其演色性都幾近太?yáng)光的CRI=100。而其他種類的光源皆有演色性不佳的問(wèn)題，如水銀燈的波長(zhǎng)集中于530～570nm，因此其演色性平均小于30;而傳統(tǒng)以藍(lán)光LED混合YAG熒光粉制造的白色LED，原始波長(zhǎng)集中于420～480nm，而綠色波段的480～520nm因缺乏，因此產(chǎn)生綠光能隙(Green Gap)問(wèn)題對(duì)綠色演色性較差，且缺乏波長(zhǎng)680nm以上的紅色光，因此在CRI色坐標(biāo)上呈現(xiàn)R9=0的檢測(cè)結(jié)果。

演色性直接影響照物在燈光下原始顏色的還原能力，因此演色性決定光源的適用場(chǎng)所，尤其是在博物館、表演廳、百貨公司、藝?yán)鹊葘?duì)色彩要求較高的場(chǎng)所，演色性成為光源要求的重要項(xiàng)目。因此LED為了成為全面性取代各類型光源及白熾燈、高耗能光源(如：鹵素?zé)?的取代品，在光源特性上除了須滿足熒光燈管特性外，還須符合白熾燈光源特性。本篇報(bào)告將從如何提高各LED光源演色性進(jìn)行各類型技術(shù)分析。

表1、各類型光源的CRI值整理，Source：拓產(chǎn)業(yè)研究所整理，2012/08

(二) 波長(zhǎng)與演色性關(guān)系說(shuō)明

之所以白熾燈與鹵素?zé)粼谘萆陨暇哂薪?00的表現(xiàn)，其中最主要的原因在于此兩種光源的發(fā)光方式及波長(zhǎng)和太陽(yáng)光線一樣，從可見光的低波段380nm，一直到高波段780nm具連續(xù)不間段性。此種不間段波長(zhǎng)的光源表現(xiàn)，讓可見光波段中的各種顏色完全表現(xiàn)。

圖3、CIE色坐標(biāo)說(shuō)明，Source：CIE;拓產(chǎn)業(yè)研究所整理，2012/08

日常生活中常見的白色光線，由三原色-紅光、綠光與藍(lán)光組成，如圖二CIE色坐標(biāo)所示，人類肉眼所視白光，其實(shí)在色坐標(biāo)分布中僅為極狹窄區(qū)域，同時(shí)交會(huì)于紅色、藍(lán)色與綠色之中，且人類目視的所有色彩及色階均是由這3種顏色構(gòu)成。由此可知道為何LED光源白光技術(shù)，或者是早期映像管時(shí)代的電視光源技術(shù)、投影機(jī)光源，在發(fā)光體設(shè)計(jì)上，皆采紅光、綠光與藍(lán)光組成方式，調(diào)配影像的變化及還原色彩原真實(shí)顏色。

圖4、色溫與紅綠藍(lán)光比重示意圖，Source：拓產(chǎn)業(yè)研究所整理，2012/08

T5熒光燈管的白光合成方式也是由三波長(zhǎng)(紅光、綠光與藍(lán)光色域)熒光粉激發(fā)，因此相較于僅使用鹵粉做為熒光粉材料的T8燈管，使用三波長(zhǎng)熒光粉的T5燈管CRI值較大于80，而T8燈管的CRI值則僅有65左右。

拓產(chǎn)業(yè)研究所(TRI)也可以從紅綠藍(lán)3種顏色的比例得知，光源下的色彩還原關(guān)系。在6500K的環(huán)境下，普遍缺乏對(duì)紅色的顯色性，因此幾乎所有光源在6500K的環(huán)境下，不含有紅色光波長(zhǎng)，其光源顏色較冰冷，因此大于5500K的光源又稱其為冷白光;另一方面，當(dāng)光源波長(zhǎng)在3500K環(huán)境下，藍(lán)光的比例又縮減至微乎其微，而全部的光原色比重以紅加綠光為主，稱為暖白光。無(wú)論是冷白或暖白，色溫太高及太低對(duì)人類肉眼皆會(huì)造成不適感。

而LED在演色表現(xiàn)上較白熾燈差的主因在于，以藍(lán)色LED為基礎(chǔ)加上黃色熒光粉的白光合成方式，因在色彩表現(xiàn)上欠缺紅色及綠色，以致于顏色偏冷，對(duì)照物的紅色及綠色的色彩還原逼真度差，也因LED在照明應(yīng)用上以期待取代白熾燈、節(jié)能燈為目標(biāo)，因此在光質(zhì)量特性上，必須以優(yōu)于各類型光源為目標(biāo)。

演色指數(shù)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)采用CIE針對(duì)14個(gè)不同的低飽和度色塊(從 R1到R14)為基準(zhǔn)，通常前9個(gè)為最主要色塊，R12～R14表光源對(duì)皮膚顏色反應(yīng)，屬特殊應(yīng)用光源指標(biāo)，以CIE色塊的色度值與量測(cè)光源色塊的色度值比對(duì)后，求得各色塊的顏色反應(yīng)比例表現(xiàn)，稱其演色值，最后再以算數(shù)平均方式求得最終的值，便是此種光源的演色指數(shù)。而R9則是項(xiàng)目中的一項(xiàng)，主要為對(duì)紅色反應(yīng)。