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LED生鲜灯的混光方案

2018-02-11 13:55:24      点击:963

LED生鲜灯为了满足对各种颜色生鲜食品的照明需求,其光谱变得多样化。虽然特制光谱的LED光源虽然理论上可行,但是实际上无法做到每种特殊光谱的LED产品都存在;所以很多生鲜灯依然会采用混光方案。但是为了获得合适的混光方案,通常的计算方法非常繁琐。为此,合理选择现有的白光LED和彩色LED,利用LightTools进行模拟得到混色光谱,通过对颜色参数的分析评价,进而获得合适的生鲜灯混光方案和效果指标。

随着固态照明的进一步发展,人们对照明品质的要求也越来越高,很多照明领域提出了个性化的光谱要求,生鲜灯在食物方面的照明就是一个很好的例子。我们知道,在低显指高色温的灯管下,人脸会显得苍白无生气,这在食品方面也是一样,使用不合适的照明,超市里的水果、食物会变得颜色怪异,没有卖相,不但会影响生意,而且会因为商品过保质期而造成浪费。

而在合适的生鲜灯下,可以使食物得颜色得以更好的还原,使它显得更为新鲜和可口,让顾客更愿意购买,所以生鲜灯在食品照明领域非常重要。而LED由于极易得到各种光谱颜色而在应用中成为理想光源。

多种单色光芯片的存在和蓝光芯片配合特制的荧光粉,能现实大多数光谱。但是对于单颗LED,并不是每种光谱的LED都会变成产品,这是因为市场对每种特殊光谱的LED需求量一般不是很大;即便有产品存在,价格也会比较高,而且还可能存在供应问题。相对来说,混色方案更为可行,由于只需要选用常规的LED,所以光源成本更低,方案灵活,而且供应更为可靠。

我们通常借助色坐标、CCT、CRI和CQS等参数来评定颜色。其中CRI除了常规的8种标准色样的显色指数之外,还有7个特殊色样的显色指数,而这15个色样相对来说都是非饱和色样,前8个参数的的平均值是我们常用的显色性Ra,例如表征红光(“strong red”)的R9并不在Ra的表征内容之内,所以,即便Ra很大的LED,只要它的光谱没有足够的红光部分,R9的值也会很低。NIST(美国国家标准与技术研究院)也发现,即使一种光的对非饱和色的显色性很好,它对饱和色的显色性也可能很差;NIST发现,只要选用一些饱和色作为一套新的色样,就可以保证对显色性的准确表征,并提出了一种表征显色性的新方法CQS(Color Quality Scale),它采用了15种分布于整个可见光谱中的饱和色为其色样。本文会借助这两套表征显色性的方法来分析混色后的结果。

给定光谱,就可以得到上述各种颜色信息,所以光谱涵盖了更为全面的颜色信息。对于混色照明方案,其光谱信息非常重要,但是如何获得会比较方便呢?

  • 首先,虽然可以通过测量获得,但是需要制作样灯,这包括定制PCB、准备散热器和购买电源驱动、焊接和组装等步骤,最后测量,过程复杂耗时,而且很难再次调整方案,方法不灵活。

  • 其次,计算方法也非常繁琐。光谱数据通常是经过归一化的,而且纵坐标与mW(而非lm)相关;而且LED的辐射特性也不同,如白光LED通常以光通量(lm)、红光以辐射功率(mW)来表征,使得计算更为复杂。

  • 最后,即本文中模拟方法,借助LightTools工具模拟,不但能简单地得到混色光谱结果,而且还可以获得其他颜色参数帮助我们分析和评定方案。


当然,随着被照物的不同,所需的最佳光谱也会不同。我们以照明深红色苹果为例,水果商希望得到适量的深红光掺杂,使得苹果显得红润可口。同时也要强调一下,红光也有很多种,在选择红色光源时也要先确保具备正确的主波长和光谱信息,使得混光方案匹配照明要求。

为达到我们预想的混色光谱结果,首先我们要选用合适的LED光源。OSRAM有很丰富多彩的彩光产品(包括高功率OSLON系列和中功率Duris P5),尤其是在红光方面更是有三种波段的产品;白光LED也有三种显色指数和各个色温可选。所以本文就以其产品为例,选用适当主波长的红光LED和适当光谱的白光LED,获取它们的光谱信息,并通过LightTools软件进行模拟。

我们选用主波长数值最大的(640nm)红光(Hyper Red)LED(LH),和显色指数为80的白光LED(LCW),使用(m LCW + n LH)混色方案:

1. 获取LED的光谱数据。通常规格书中有归一化的光谱图,进而得到光谱数据;如果没有光谱图,则可以通过现有夹具夹持LED样品,通过积分球测量系统轻松获得。

2. 在LightTools中输入每种LED的光谱数据。只需将Excel 表格中得到的光谱数据复制到软件中即可。而且可以通过“Spectral Region Chart”检 查光谱输入结果,如图1所示。

3. 在LightTools中输入每种LED的辐射功率/光通量。在规格书里,白光LED是以光通量(lm)表征,而红光LED则是以辐射功率(mW)为单位的,这里我们不必换算单位,直接在软件中的“Emittance”中选择光通量(“Photometric Flux”)或辐射功率(Rediometric Power),并分别输入数值即可。通常在输入亮度信息时,需要考虑驱动电流和结点温度的影响,但是这里作为一个例子,都采用典型电流驱动,并忽略结点温度等因素影响,以简化过程突出重点。

4. 运行模拟,并分析评价光谱结果。当然,并非第一次就可以得到最合适的混色方案,所以可能需要回到第三步,重新调整功率/光通量比例,甚至可能需要添加或改变LED种类。

5. 选择得到合适的混色方案,和相应颜色、亮度信息。


 
图1. 白光和深红光LED光源光谱数据的输入和光谱图查看

图2. 白光LED的CRI和CQS结果


单独分析白光LED光谱可以发现,虽然其Ra = 83,但是其代表红光成分的R9值只有11,说明该光源对这一红色物品的颜色还原能力很差,不适合凸显红色物品的照明。这也是为什么红色食品的生鲜灯需要富含一定量红光的原因,也凸显了生鲜灯的重要性。当然也不能过量添加红光,否则,虽然红色还原能力很高,但是会大大降低其他颜色的显色性。

假设白光LED与红光LED的比例为k=M:N,那么这里白光LED个数应设置为k倍的白光光通量。我们假定每颗红光LED为0.3W辐射功率,每颗白光LED为100lm,如果输入500lm白光,那么这里k=5。


 
图3. 混光光谱及其CRI和CQS结果

添加“Far field receiver”,并运行模拟。结果发现,这一方案很好地添加了红光部分光谱,CCT=2750K,得到了更好的CRI(92)和CQS(90),其中表征红色还原能力的指数R9=70,VS1=90,两者差异的主要原因是红色标准色样的选取不同,结果都比白光LED具备了更高的数值,说明这一生鲜灯方案更有利于红色食品的颜色还原;同时其他颜色样本的显色指数也都保留了较高或更高的数值。在达到该生鲜灯对红色还原能力的同时,还提升了整体的照明品质。

食品照明等领域对灯具光谱的要求越来越多样化,但是订制光谱的光源却很难实现量产,而且价格昂贵,所以通常采用混色方案。由于视见曲线和光源光谱曲线的存在,在辐射功率和光通量之间的计算会非常的麻烦,本文利用现有的工具LightTools,通过简单的设置,对混光光谱进行了模拟,除了得到了光谱,还可以获得很多其他颜色的信息;结果显示,本方案获得的照明效果很好,显色性超过90,富含深红色,适合对很多红色食品照明。(本文作者:欧司朗光电半导体高级应用工程师 刘明辉 博士)


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