LED生鮮燈的混光方案及模擬技術(shù)深度解析

生鮮燈為了滿足對各種顏色生鮮食品的照明需求，其光譜變得多樣化。雖然特制光譜的LED光源雖然理論上可行，但是實際上無法做到每種特殊光譜的LED產(chǎn)品都存在；所以很多生鮮燈依然會采用混光方案。但是為了獲得合適的混光方案，通常的計算方法非常繁瑣；本文中，合理選擇現(xiàn)有的白光LED和彩色LED，利用LightTools進行模擬得到混色光譜，通過對顏色參數(shù)的分析評價，進而獲得合適的生鮮燈混光方案和效果指標(biāo)。

　　隨著固態(tài)照明的進一步發(fā)展，人們對照明品質(zhì)的要求也越來越高，很多照明領(lǐng)域提出了個性化的光譜要求，生鮮燈在食物方面的照明就是一個很好的例子。我們知道，在低顯指高色溫的燈管下，人臉會顯得蒼白無生氣，這在食品方面也是一樣，使用不合適的照明，超市里的水果、食物會變得顏色怪異，沒有賣相，不但會影響生意，而且會因為商品過保質(zhì)期而造成浪費；而在合適的生鮮燈下，可以使食物得顏色得以更好的還原，使它顯得更為新鮮和可口，讓顧客更愿意購買，所以生鮮燈在食品照明領(lǐng)域非常重要。而LED由于極易得到各種光譜顏色而在應(yīng)用中成為理想光源。

　　多種單色光芯片的存在和藍光芯片配合特制的熒光粉，能現(xiàn)實大多數(shù)光譜。但是對于單顆LED，并不是每種光譜的LED都會變成產(chǎn)品，這是因為市場對每種特殊光譜的LED需求量一般不是很大；即便有產(chǎn)品存在，價格也會比較高，而且還可能存在供應(yīng)問題。相對來說，混色方案更為可行，由于只需要選用常規(guī)的LED，所以光源成本更低，方案靈活，而且供應(yīng)更為可靠。

　　我們通常借助色坐標(biāo)、CCT、CRI和CQS等參數(shù)來評定顏色。其中CRI除了常規(guī)的8種標(biāo)準(zhǔn)色樣的顯色指數(shù)之外，還有7個特殊色樣的顯色指數(shù)，而這15個色樣相對來說都是非飽和色樣，前8個參數(shù)的的平均值是我們常用的顯色性Ra，例如表征紅光（“strongred”）的R9并不在Ra的表征內(nèi)容之內(nèi)，所以，即便Ra很大的LED，只要它的光譜沒有足夠的紅光部分，R9的值也會很低。NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）也發(fā)現(xiàn)，即使一種光的對非飽和色的顯色性很好，它對飽和色的顯色性也可能很差；NIST發(fā)現(xiàn)，只要選用一些飽和色作為一套新的色樣，就可以保證對顯色性的準(zhǔn)確表征，并提出了一種表征顯色性的新方法CQS（ColorQualityScale），它采用了15種分布于整個可見光譜中的飽和色為其色樣。本文會借助這兩套表征顯色性的方法來分析混色后的結(jié)果。

　　給定光譜，就可以得到上述各種顏色信息，所以光譜涵蓋了更為全面的顏色信息。對于混色照明方案，其光譜信息非常重要，但是如何獲得會比較方便呢？

　　“首先，雖然可以通過測量獲得，但是需要制作樣燈，這包括定制PCB、準(zhǔn)備散熱器和購買電源驅(qū)動、焊接和組裝等步驟，最后測量，過程復(fù)雜耗時，而且很難再次調(diào)整方案，方法不靈活。

　　“其次，計算方法也非常繁瑣。光譜數(shù)據(jù)通常是經(jīng)過歸一化的，而且縱坐標(biāo)與mW（而非lm）相關(guān)；而且LED的輻射特性也不同，如白光LED通常以光通量（lm）、紅光以輻射功率（mW）來表征，使得計算更為復(fù)雜。

　　“最后，即本文中模擬方法，借助LightTools工具模擬，不但能簡單地得到混色光譜結(jié)果，而且還可以獲得其他顏色參數(shù)幫助我們分析和評定方案。

　　當(dāng)然，隨著被照物的不同，所需的最佳光譜也會不同。我們以照明深紅色蘋果為例，水果商希望得到適量的深紅光摻雜，使得蘋果顯得紅潤可口。同時也要強調(diào)一下，紅光也有很多種，在選擇紅色光源時也要先確保具備正確的主波長和光譜信息，使得混光方案匹配照明要求。

　　為達到我們預(yù)想的混色光譜結(jié)果，首先我們要選用合適的LED光源。OSRAM有很豐富多彩的彩光產(chǎn)品（包括高功率OSLON系列和中功率DurisP5），尤其是在紅光方面更是有三種波段的產(chǎn)品；白光LED也有三種顯色指數(shù)和各個色溫可選。所以本文就以其產(chǎn)品為例，選用適當(dāng)主波長的紅光LED和適當(dāng)光譜的白光LED，獲取它們的光譜信息，并通過LightTools軟件進行模擬。

　　我們選用主波長數(shù)值最大的（640nm）紅光（HyperRed）LED（LH），和顯色指數(shù)為80的白光LED（LCW），使用（mLCW+nLH）混色方案，

　　1.獲取LED的光譜數(shù)據(jù)。通常規(guī)格書中有歸一化的光譜圖，進而得到光譜數(shù)據(jù)；如果沒有光譜圖，則可以通過現(xiàn)有夾具夾持LED樣品，通過積分球測量系統(tǒng)輕松獲得。

　　2.在LightTools中輸入每種LED的光譜數(shù)據(jù)。只需將Excel表格中得到的光譜數(shù)據(jù)復(fù)制到軟件中即可。而且可以通過”SpectralRegionChart“檢查光譜輸入結(jié)果，如圖1所示。

　　3.在LightTools中輸入每種LED的輻射功率/光通量。在規(guī)格書里，白光LED是以光通量（lm）表征，而紅光LED則是以輻射功率（mW）為單位的，這里我們不必換算單位，直接在軟件中的”Emittance“中選擇光通量（”PhotometricFlux“）或輻射功率（RediometricPower），并分別輸入數(shù)值即可。通常在輸入亮度信息時，需要考慮驅(qū)動電流和結(jié)點溫度的影響，但是這里作為一個例子，都采用典型電流驅(qū)動，并忽略結(jié)點溫度等因素影響，以簡化過程突出重點。

　　4.運行模擬，并分析評價光譜結(jié)果。當(dāng)然，并非第一次就可以得到最合適的混色方案，所以可能需要回到第三步，重新調(diào)整功率/光通量比例，甚至可能需要添加或改變LED種類。

　　5.選擇得到合適的混色方案，和相應(yīng)顏色、亮度信息。

　　圖1.白光和深紅光LED光源光譜數(shù)據(jù)的輸入和光譜圖查看

　　圖2.白光LED的CRI和CQS結(jié)果

　　單獨分析白光LED光譜可以發(fā)現(xiàn)，雖然其Ra=83，但是其代表紅光成分的R9值只有11，說明該光源對這一紅色物品的顏色還原能力很差，不適合凸顯紅色物品的照明。這也是為什么紅色食品的生鮮燈需要富含一定量紅光的原因，也凸顯了生鮮燈的重要性。當(dāng)然也不能過量添加紅光，否則，雖然紅色還原能力很高，但是會大大降低其他顏色的顯色性。

　　假設(shè)白光LED與紅光LED的比例為k=M：N，那么這里白光LED個數(shù)應(yīng)設(shè)置為k倍的白光光通量。我們假定每顆紅光LED為0.3W輻射功率，每顆白光LED為100lm，如果輸入500lm白光，那么這里k=5。

　　圖3.混光光譜及其CRI和CQS結(jié)果

　　添加”Farfieldreceiver“，并運行模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這一方案很好地添加了紅光部分光譜，CCT=2750K，得到了更好的CRI（92）和CQS（90），其中表征紅色還原能力的指數(shù)R9=70，VS1=90，兩者差異的主要原因是紅色標(biāo)準(zhǔn)色樣的選取不同，結(jié)果都比白光LED具備了更高的數(shù)值，說明這一生鮮燈方案更有利于紅色食品的顏色還原；同時其他顏色樣本的顯色指數(shù)也都保留了較高或更高的數(shù)值。在達到該生鮮燈對紅色還原能力的同時，還提升了整體的照明品質(zhì)。

　　結(jié)論：

　　食品照明等領(lǐng)域?qū)艟吖庾V的要求越來越多樣化，但是訂制光譜的光源卻很難實現(xiàn)量產(chǎn)，而且價格昂貴，所以通常采用混色方案。由于視見曲線和光源光譜曲線的存在，在輻射功率和光通量之間的計算會非常的麻煩，本文利用現(xiàn)有的工具LightTools，通過簡單的設(shè)置，對混光光譜進行了模擬，除了得到了光譜，還可以獲得很多其他顏色的信息；結(jié)果顯示，本方案獲得的照明效果很好，顯色性超過90，富含深紅色，適合對很多紅色食品照明。