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都说LED可以实现任何灯光颜色,但你知道这背后的原理吗?

2018-05-18 09:30:12点击:

都说LED可以实现任何灯光颜色,但你知道这背后的原理吗?这是一条给全世界的消息,所有照明界人士都该注意了,在如今,相对于学习气体放电灯的新知识,更重要的是学习掌握新能力,去制作更好的LED照明设备。

——by Wout van Bommel教授

光的三基色与色度图

数字三,在颜色中有着很重要的意义。

▲利用红绿蓝这三种基色,我们可以得到任何颜色,包括白色。

如上图,将绿光和蓝光混合,可以得到青光;混合红光和绿光,可以得到黄光;混合红光和蓝光,可以得到紫光。将任意两种基色光混合,我们就可以得到许多不同颜色,但却无法得到白光。

如果想得到白光,就需要三种颜色的光,这样我们就真的能得到所有颜色光。这就是LED能够发出不同颜色光的原理。

而根据三基色及相应的系数,我们总结出了这张著名的“CIE颜色三角”或者正式的名字被称作CIE色度图(CIE chromaticity diagram)”


▲CIE色度图:用x-y坐标对应表示图中的点,可以十分精确地表示所有颜色。

三角形的边表示光谱轨迹,单色光以红色为例,范围是700-600nm,然后依次经过黄和绿,之后绕过来,最后到达蓝色,这些在边线上单色光的波长值被称作色调(hue)。


E点(equivalent energy white point),也就是图中白色区域的点。这是某一白光源,所有波长能量相同,我们把它叫做“等效能量白点”

▲图中三角外缘的白线表示颜色三角的边线,也是光谱轨迹从开始到结束的范围。


图中任意某点,比如F点和E点的连线与边线相交点G点的值540nm,就是F点的主波长。而如果要更准确的描述F点具体在图上的什么位置,除了主波长外,还需要知道色纯度也就是F点到E点距离(上图中红线EF的长度)和主波长点到E点距离(红线EG)的比值。

比值为1,色纯度最高,在边线上;比值为0,就在E点,也就是白光。

用这种方式描述任意点,如果想定义这个颜色,把E点和这点连线,可以得到它与边界相交的位置,进而得出这个点的波长,甚至色纯度。正是通过这种方式,人们逐步定义了彩色光源。

色度图的颜色三角

▲气体放电灯

在过去气体放电灯的时代,因为并没有那么多的彩色光源,上文定义颜色的做法并没有什么意义。

也许高压钠灯低压钠灯有一些黄色光,但是蓝色光源、绿色光源都是无法实现的,除非在白光源前放上滤色片。

而如今我们可以做许多事情,利用彩色光源创造许多美丽而有趣的事物。

用LED。

▲LED灯

▲图中的白色曲线表示完全辐射体(即“理想黑体”)的轨迹,完全辐射体曲线温度从低到高,低温时是暖白光,高温时是冷白光。

在比较气体放电灯或LED的颜色和完全辐射体或热辐射体的颜色,当它们颜色相近时,沿着这条线读出色温(从理论上讲,色温是指绝对黑体从绝对零度(一273℃)开始加温后所呈现的颜色)。

但对于气体放电灯或LED,准确来说不能称为色温,而是应该称为“相关色温”(通过比较一个光源发射出的光色和某一温度下的黑体辐射的光色相一致时,便把此时黑体的温度表示为光源的颜色温度(即色温)),缩写为“CCT”

▲热辐射体

而对于热辐射体才说色温,因为一个热辐射体的温度,比如白炽灯,确实精准的定义了它的颜色。

那么颜色三角下边界附近的点的主波长要怎么定义?因为这些颜色不在光谱上,所以不能用主波长方法定义。

▲图中的白线表示颜色三角的下边界

但它们的确是亲眼可见的,所以对于下边界上任意一点的颜色,可以通过混合蓝色、红色甚至绿色得到。它们不是单色光,不是光谱的组成部分,而是特定的颜色。

LED光源的显色性

从色度图上某点出发,开始移动,光源的颜色开始变化。在绿色区域,只有往左上方移动相当大的距离,人们才会注意到光源颜色已经发生了变化。而在蓝色区域,只要颜色发生细微的变化,马上就会被人们发现。

用这张颜色三角作为基准去判断从工厂生产出的光源颜色是否相同这是非常困难的,不过,在如今非常著名的Mc Adam先生早在多年之前,就发明了非常简单的数学变换,将上图转换为下图:



尽管并不完美,但相比之前已经好多了,所以上图成为了基准,世界各地的工厂都在通用的分色工序。


为了确保LED的分色,从机器中生产出来之后,对它们进行分组,颜色性能一致的LED放进同一个箱子。尽管它们并不完全相同,但没有人能辨认出它们的区别。

举个栗子,比较灯具的显色指数,首先需要两个定义过的颜色样品。

样品在显色指数待测光源A照射下表现出的颜色如下:


样品在标准光源(显色指数的定义要求标准光源要具备和待测光源相同的色温)照射下表现出的颜色如下:


比较上文的两个结果,色温相同的待测光源与标准光源之间,两者的显色性也是存在着差异的,这也是生产出来的LED灯要分组装箱的原因。

在上述例子中,待测光源A的色温是3200K,标准光源必须具备相同色温,所以需要从所有不同色温的标准光源中挑选匹配的3200K的完全辐射体(即“理想黑体”)作为标准光源。

但这仅限于待测光源色温低于5000K,如果待测光源色温高于5000K,那么标准光源不再是完全辐射体,而是必须使用相同色温的标准日光。

所以如果显色指数待测光源的色温是6000K,将不再使用相应色温的完全辐射体,而是使用标准日光光源作为标准光源。

因为标准光源光谱是已知的,所以只要测出待测光源光谱,并掌握已发布的光谱(包括所有标准光源和标准日光的),选择标准光源,就可以利用待测光源的光谱开始计算待测光源的标准色度、色温、主波长、CIE或是IES规定的显色指数等等所有的这些计算。

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