高演色LED照明技术发展趋势

LED照明产品的演色性，在照明质量的前提下成为LED光源产品规划与技术突破项目。从太阳光、白炽灯、水银灯、白光LED的波长表现对照可知，日常光源非「能够亮」就好，还需考虑光源亮度、照物的色彩还原，理想的人造光源必须以太阳光日照感觉为依规。以蓝光LED混合YAG荧光粉的白色LED，存有绿光能隙(Green Gap)对绿色演色性较差及缺乏红色反应问题，因此在CRI色坐标上呈现R9=0检测结果。演色性直接影响照物在灯光下原始颜色的还原能力，在博物馆、表演厅、百货公司、艺廊等对色彩要求高的场所，演色性为光源要求的重要项目。LED若成为取代各类型光源及白炽灯、高耗能光源，需具备高演色性。

 

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图1、常见LED混合白光方式，Source：拓墣产业研究所整理，2012/08

一. 照明产品为何需对于演色性具备要求?

LED照明产品的演色性在日趋要求照明质量的前提下，成为LED光源发展的下一个产品规划与技术突破的重要项目。Energy Star在2011年5月所颁布的LED球泡型产品标准中，明定LED照明产品的演色指数(CRI)最低不能低于80，且对红色显色性必须大于零，这表示演色指数占照明光源质量相当重要的一环。

(一) 各类型光源波长与演色性分析

图一及表一说明目前常用之各类型光源的演色表现与波长对应关系，图一比较了太阳光、白炽灯、水银灯、白光LED的波长表现，对照太阳光线后可清楚得知为何使用于日常生活中的光源并非「能够亮」就好，还需要考虑光源亮度、照物的色彩还原等特性，其主因在于理想的人造光源须以太阳光日照感觉为依规。

 

图2、各类型光源波长说明，ource：拓墣产业研究所整理，2012/08

图一的黄色线条为太阳的波长及释放能量，对照目前各类型光源，只有白炽灯(钨丝灯)最符合太阳光源的波长分布状况，由于白炽灯与卤素灯的发光方式一致，因此无论是白炽灯或卤素灯，其演色性都几近太阳光的CRI=100。而其他种类的光源皆有演色性不佳的问题，如水银灯的波长集中于530～570nm，因此其演色性平均小于30;而传统以蓝光LED混合YAG荧光粉制造的白色LED，原始波长集中于420～480nm，而绿色波段的480～520nm因缺乏，因此产生绿光能隙(Green Gap)问题对绿色演色性较差，且缺乏波长680nm以上的红色光，因此在CRI色坐标上呈现R9=0的检测结果。

演色性直接影响照物在灯光下原始颜色的还原能力，因此演色性决定光源的适用场所，尤其是在博物馆、表演厅、百货公司、艺廊等对色彩要求较高的场所，演色性成为光源要求的重要项目。因此LED为了成为全面性取代各类型光源及白炽灯、高耗能光源(如：卤素灯)的取代品，在光源特性上除了须满足荧光灯管特性外，还须符合白炽灯光源特性。本篇报告将从如何提高各LED光源演色性进行各类型技术分析。

 

表1、各类型光源的CRI值整理，Source：拓墣产业研究所整理，2012/08

(二) 波长与演色性关系说明

之所以白炽灯与卤素灯在演色性上具有近100的表现，其中最主要的原因在于此两种光源的发光方式及波长和太阳光线一样，从可见光的低波段380nm，一直到高波段780nm具连续不间段性。此种不间段波长的光源表现，让可见光波段中的各种颜色完全表现。

 

图3、CIE色坐标说明，Source：CIE;拓墣产业研究所整理，2012/08

日常生活中常见的白色光线，由三原色-红光、绿光与蓝光组成，如图二CIE色坐标所示，人类肉眼所视白光，其实在色坐标分布中仅为极狭窄区域，同时交会于红色、蓝色与绿色之中，且人类目视的所有色彩及色阶均是由这3种颜色构成。由此可知道为何LED光源白光技术，或者是早期映像管时代的电视光源技术、投影机光源，在发光体设计上，皆采红光、绿光与蓝光组成方式，调配影像的变化及还原色彩原真实颜色。

 

图4、色温与红绿蓝光比重示意图，Source：拓墣产业研究所整理，2012/08center>

T5荧光灯管的白光合成方式也是由三波长(红光、绿光与蓝光色域)荧光粉激发，因此相较于仅使用卤粉做为荧光粉材料的T8灯管，使用三波长荧光粉的T5灯管CRI值较大于80，而T8灯管的CRI值则仅有65左右。

拓墣产业研究所(TRI)也可以从红绿蓝3种颜色的比例得知，光源下的色彩还原关系。在6500K的环境下，普遍缺乏对红色的显色性，因此几乎所有光源在6500K的环境下，不含有红色光波长，其光源颜色较冰冷，因此大于5500K的光源又称其为冷白光;另一方面，当光源波长在3500K环境下，蓝光的比例又缩减至微乎其微，而全部的光原色比重以红加绿光为主，称为暖白光。无论是冷白或暖白，色温太高及太低对人类肉眼皆会造成不适感。

而LED在演色表现上较白炽灯差的主因在于，以蓝色LED为基础加上黄色荧光粉的白光合成方式，因在色彩表现上欠缺红色及绿色，以致于颜色偏冷，对照物的红色及绿色的色彩还原逼真度差，也因LED在照明应用上以期待取代白炽灯、节能灯为目标，因此在光质量特性上，必须以优于各类型光源为目标。

演色指数的计算标准采用CIE针对14个不同的低饱和度色块(从 R1到R14)为基准，通常前9个为最主要色块，R12～R14表光源对皮肤颜色反应，属特殊应用光源指标，以CIE色块的色度值与量测光源色块的色度值比对后，求得各色块的颜色反应比例表现，称其演色值，最后再以算数平均方式求得最终的值，便是此种光源的演色指数。而R9则是项目中的一项，主要为对红色反应。