技术控：LED生鲜灯的混光方案及模拟技术
品慧电子讯本文针对如何获得合适的生鲜灯混光方案以及效果指标，利用LightTools对现有白光LED和彩色LED进行模拟得到混色光谱，然后经过分析评价颜色参数，最终得到了理想的效果。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；本文中，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（“strongred”）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（ColorQualityScale），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？1、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。2、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3、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DurisP5），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（HyperRed）LED（LH），和显色指数为80的白光LED（LCW），使用（mLCW+nLH）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”SpectralRegionChart“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（”PhotometricFlux“）或辐射功率（RediometricPower），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”Farfieldreceiver“，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。
结语：现如今，灯具光谱的多样化需求在食品照明领域已经逐渐推广开来，专门定制光谱的光源价格高、无法量产，因此混色方案被提上日程。光源光谱曲线和初见曲线的存在给辐射功率和光通率之间的计算带来严重影响。为避免这类问题，文中利用现有的工具LightTools，模拟混合光谱，在获得光谱的同时，还获得其他的颜色信息。研究结果表明，设计方案对照明效果良好，显色性超过90，富含深红色，适合红色食品的照明。
