LED生鮮燈的混光方案及模擬分析

(文 / 歐司朗高級應用工程師 劉明輝博士)

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。雖然特製光譜的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產品都存在;所以很多生鮮燈依然會採用混光方案。但是為了獲得合適的混光方案,通常的計算方法非常繁瑣;為此,合理選擇現有的白光LED和彩色LED,利用LightTools進行模擬得到混色光譜,通過對顏色參數的分析評價,進而獲得合適的生鮮燈混光方案和效果指標。

隨著固態照明的進一步發展,人們對照明品質的要求也越來越高,很多照明領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存期限而造成浪費;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,讓顧客更願意購買,所以生鮮燈在食品照明領域非常重要。而LED由於極易得到各種光譜顏色而在應用中成為理想光源。

多種單色光晶片的存在和藍光晶片配合特製的螢光粉,能現實大多數光譜。但是對於單顆LED,並不是每種光譜的LED都會變成產品,這是因為市場對每種特殊光譜的LED需求量一般不是很大;即便有產品存在,價格也會比較高,而且還可能存在供應問題。相對來說,混色方案更為可行,由於只需要選用常規的LED,所以光源成本更低,方案靈活,而且供應更為可靠。

我們通常借助色座標、CCT、CRI和CQS等參數來評定顏色。其中CRI除了常規的8種標準色樣的顯色指數之外,還有7個特殊色樣的顯色指數,而這15個色樣相對來說都是非飽和色樣,前8個參數的的平均值是我們常用的演色性Ra,例如表徵紅光(“strong red”)的R9並不在Ra的表徵內容之內,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(美國國家標準與技術研究院)也發現,即使一種光的對非飽和色的演色性很好,它對飽和色的演色性也可能很差;NIST發現,只要選用一些飽和色作為一套新的色樣,就可以保證對演色性的準確表徵,並提出了一種表徵演色性的新方法CQS(Color Quality Scale),它採用了15種分佈於整個可見光譜中的飽和色為其色樣。本文會借助這兩套表徵演色性的方法來分析混色後的結果。

給定光譜,就可以得到上述各種顏色資訊,所以光譜涵蓋了更為全面的顏色資訊。對於混色照明方案,其光譜資訊非常重要,但是如何獲得會比較方便呢?

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  • 首先,雖然可以通過測量獲得,但是需要製作樣燈,這包括定制PCB、準備散熱器和購買電源驅動、焊接和組裝等步驟,最後測量,過程複雜耗時,而且很難再次調整方案,方法不靈活。
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  • 其次,計算方法也非常繁瑣。光譜資料通常是經過歸一化的,而且縱坐標與mW(而非lm)相關;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)來表徵,使得計算更為複雜。
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  • 最後,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果,而且還可以獲得其他顏色參數幫助我們分析和評定方案。


當然,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資訊,使得混光方案匹配照明要求。

為達到我們預想的混色光譜結果,首先我們要選用合適的LED光源。OSRAM有很豐富多彩的彩光產品(包括高功率OSLON系列和中功率Duris P5),尤其是在紅光方面更是有三種波段的產品;白光LED也有三種顯色指數和各個色溫可選。所以本文就以其產品為例,選用適當主波長的紅光LED和適當光譜的白光LED,獲取它們的光譜資訊,並通過LightTools軟體進行類比。

我們選用主波長數值最大的(640nm)紅光(Hyper Red)LED(LH),和顯色指數為80的白光LED(LCW),使用(m LCW + n LH)混色方案。

  1. 獲取LED的光譜資料。通常規格書中有歸一化的光譜圖,進而得到光譜資料;如果沒有光譜圖,則可以通過現有夾具夾持LED樣品,通過積分球測量系統輕鬆獲得。
     
  2. 在LightTools中輸入每種LED的光譜資料。只需將Excel 表格中得到的光譜資料複製到軟體中即可。而且可以通過“Spectral Region Chart”檢查光譜輸入結果,如圖1所示。
     
  3. 在LightTools中輸入每種LED的輻射功率/光通量。在規格書裡,白光LED是以光通量(lm)表徵,而紅光LED則是以輻射功率(mW)為單位的,這裡我們不必換算單位,直接在軟體中的“Emittance”中選擇光通量(“Photometric Flux”)或輻射功率(Rediometric Power),並分別輸入數值即可。通常在輸入亮度資訊時,需要考慮驅動電流和結點溫度的影響,但是這裡作為一個例子,都採用典型電流驅動,並忽略結點溫度等因素影響,以簡化過程突出重點。
     
  4. 運行模擬,並分析評價光譜結果。當然,並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,和相應顏色、亮度資訊。

 

圖1. 白光和深紅光LED光源光譜資料的輸入和光譜圖查看

 

 

圖2. 白光LED的CRI和CQS結果

 


單獨分析白光LED光譜可以發現,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。這也是為什麼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演色性。

假設白光LED與紅光LED的比例為k=M:N,那麼這裡白光LED個數應設置為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,那麼這裡k=5。

 


 圖3. 混光光譜及其CRI和CQS結果

 

 
 

添加“Far field receiver”,並運行模擬。結果發現,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),其中表徵紅色還原能力的指數R9=70,VS1=90,兩者差異的主要原因是紅色標準色樣的選取不同,結果都比白光LED具備了更高的數值,說明這一生鮮燈方案更有利於紅色食品的顏色還原;同時其他顏色樣本的顯色指數也都保留了較高或更高的數值。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。

食品照明等領域對燈具光譜的要求越來越多樣化,但是訂制光譜的光源卻很難實現量產,而且價格昂貴,所以通常採用混色方案。由於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,利用現有的工具LightTools,通過簡單的設置,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資訊;結果顯示,本方案獲得的照明效果很好,演色性超過90,富含深紅色,適合對很多紅色食品照明。
 

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