LED生鲜灯的混光方案及模拟分析

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。