CIE色彩空間如何用于輔助LED的設計

大多數(shù)使用LED的照明工程師了解委員會國際照明委員會（CIE）1931 x，y色彩空間（或CIE色彩空間）如何用作表征白色LED的基礎。純色或白色LED的輸出可以通過圖中x和y坐標的顏色（色調(diào)）和飽和度（純度）來定義。

然而，很少有工程師理解為什么CIE色彩空間與LED的分析工具一樣好用。部分原因是自然日光被用作LED輸出的基準。這是因為太陽被認為是一個完美的照明器（我們的眼睛已經(jīng)完美演化）是一個黑體輻射器，可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)發(fā)光。在照明技術中獨一無二的是，與波長轉換熒光粉結合的純色LED是近乎理想的人造光源，因為它們能夠密切模仿太陽的光譜功率分布（SPD），同時限制能量發(fā)射到可見光譜。

黑體輻射器的輸出可以在CIE顏色空間上以軌跡的形式繪制，作為LED的顏色相關溫度（CCT）的參考。 CCT是表征LED的重要參數(shù)，并允許制造商提供一系列白光設備以適應多種應用。

本文著眼于CIE色彩空間的起源 - 很久以前就想到了這個想法LED適用于主流照明 - 并解釋了它如何用于輔助現(xiàn)代LED的開發(fā)和表征。

Nature的黑體輻射器

在人類發(fā)現(xiàn)人造光之前，唯一的來源照明是太陽。數(shù)百萬年的進化使得眼睛能夠在陽光下進行優(yōu)化，人類自然會將這種光與舒適性和安全性聯(lián)系起來。

太陽是（近似）黑色的身體散熱器，由于熱過程。光被定義為眼睛可見的電磁輻射。在太陽下，這種電磁輻射的主要來源是由恒星核心中的聚變熱能激發(fā)的原子。

這種激發(fā)是高度隨機的，但在宏觀尺度上，黑體的光發(fā)射可以使用普朗克定律精確建模。該定律描述了黑體在一定溫度下在熱平衡狀態(tài)下發(fā)出的電磁輻射。對于不同溫度的黑體，在給定波長（包括非可見光譜中的那些，如紅外和紫外線）發(fā)射的能量會發(fā)生變化;例如，在較低溫度下，較長（較紅）的波長占主導地位，黑體發(fā)出暗紅色。溫暖的黑體在更短（更藍）的波長下發(fā)出更多的能量，顏色范圍從亮黃色到藍白色，因為它們變得更熱。

黑體的SPD圖表示作為波長函數(shù)的輻射度或光度量的濃度，例如來自光源的輻射能量或輻射通量。太陽表面的溫度約為5250 K，它發(fā)出中溫恒星特有的黃白色，在可見光部分有峰值發(fā)射（也許不足為奇地考慮到太陽如何影響眼睛的進化）。光譜。圖1顯示了各種黑體的SPD - 包括以5000 K發(fā)射的太陽的模擬 - 覆蓋在電磁波譜的可見部分。

圖1：選定溫度下黑體散熱器的光譜功率分布。

（請注意，特別是散射藍光的大氣會改變太陽在地球表面的顏色。當太陽在頭頂上時，它的光線穿過較少的大氣層，因此看起來更“自然”（即黃色 - 例如，在晚上，光線穿過較厚的大氣層，因此在藍色波長被更大程度地散射時顯得更紅。）

CIE色彩空間

CIE色彩空間源于威廉·大衛(wèi)·賴特和約翰·吉爾德在20世紀20年代后期進行的一系列實驗。該圖提供了可見電磁光譜中物理純色與人類色覺中生理感知色之間的第一個定義的定量鏈接。

眼睛不能同等地檢測所有顏色。例如，視網(wǎng)膜中的顏色感應錐對綠光最敏感。這些特殊細胞的靈敏度迅速向光譜的藍色（和紅色）部分傾斜。例如，錐體對472 nm藍光的敏感度僅為555 nm綠光的10％。

CIE色彩空間的特別新穎之處在于它使用了一組色彩匹配這些函數(shù)是“標準”人類觀察者的色彩響應的數(shù)字描述。顏色匹配功能將物理產(chǎn)生的光譜與特定的三刺激值相關聯(lián) - 因此考慮到眼睛光接收器的不同靈敏度。

CIE顏色空間允許使用兩個派生參數(shù)x和y繪制顏色的色度（顏色質量的指示，與發(fā)光無關）。并非顏色空間中的所有x和y值都對應于可見顏色。相反，所有可見顏色都包含在由“光譜軌跡”和“紫色線”定義的包絡內(nèi)。光譜軌跡是繪制在整個可見光譜中包括單個波長的顏色的x，y值的曲線。軌跡上的數(shù)字對應于顏色的波長。紫色線 - 由紅色和藍色混合構成的直線軌跡 - 形成CIE色彩空間的下邊界（圖2）。

圖2：顯示普朗克軌跡位置的CIE顏色空間。

顏色的色調(diào)由光譜上的基本顏色決定（例如，紅色，橙色，黃色，綠色，藍色或紫色）。包括一個或幾個波長的顏色的飽和度總是大于相同色調(diào)的光但具有更寬的光譜帶寬。光譜帶寬越大（飽和度越低）x，y色度坐標越遠離光譜軌跡。在圖表的中心區(qū)域，顏色被去飽和并呈現(xiàn)出柔和的色調(diào)。移動到圖表的中心足夠遠，顏色變?yōu)榛野咨桶咨?。白色通常被描述為沒有顏色，并且由許多波長組成。在CIE顏色空間中最接近“純”白色的點是等于SPD在可見光譜中的每個波長處表現(xiàn)出相等能量的點。這一點有時在CIE色彩空間上標記為“E”，但對LED制造商的興趣微乎其微，因為該技術不易于制造等能量光源。

另一個關鍵特征是通常包括在CIE顏色空間中的是普朗克（或黑體）軌跡。這些是各種溫度的黑體的色度坐標圖，從1000 K（深紅色）到10,000 K以上（藍白色），見上圖。

表征LED

在考慮照明應用之前，LED在指標和標牌等應用中越來越受歡迎。紅色，綠色和藍色設備繼續(xù)以數(shù)十億美元制造，LED制造商與其他照明制造商一起使用CIE色彩空間來表征他們的產(chǎn)品。

Hue（由LED的主波長決定） ）和飽和度可以使用圖表明確定義。 LED的色調(diào)被定義為光譜軌跡上的波長與從等能量點（E）到LED的x，y坐標的線相交。飽和度由LED沿該線的x，y坐標的位置確定。如果x，y坐標與E重合，則純度為0.隨著LED的坐標沿著線向光譜軌跡移動，純度增加，在軌跡處達到1（圖3）。

圖3：CIE色彩空間可用于明確定義LED和其他光源的色調(diào)和飽和度。 （由劍橋大學出版社提供） [1]

對于純色LED來說，這里我們關注的是用于照明應用的白色設備。 CIE顏色空間可用于指示紅色，綠色和藍色（RGB）LED組合可產(chǎn)生的顏色范圍（或“色域”）。仔細混合光是產(chǎn)生“白色”LED的一種方法。 RGB組合的可能x和y坐標范圍將落在三角形中，其頂點是三個光源的x，y坐標（請參閱TechZone文章“白光LED的第三種方法”）。

然而，今天用于照明應用的大多數(shù)商用白光LED將皇家藍LED與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉結合在一起。大多數(shù)LED的光子被磷光體吸收，并且通過稱為斯托克斯位移的過程，在光譜的黃色和紅色部分重新發(fā)射。剩余的藍色光子不受影響地發(fā)射，并與黃色和紅色光組合產(chǎn)生白色（參見TechZone文章“更白，更亮的LED”）。

圖4顯示了OSRAM OSLON SSL的相對光譜發(fā)射白光LED（該芯片在350 mA/2.95 V下的功效為106 lm/W）。請注意，藍色區(qū)域出現(xiàn)大峰值（LED的直接貢獻），熒光粉產(chǎn)生黃色和紅色區(qū)域的駝峰。

圖4：來自OSRAM OSLON SSL白光LED的光譜功率分布。虛線鐘形曲線是人眼靈敏度函數(shù)。

完美的人造光

盡管CIE色彩空間比商用LED早幾十年，但純色LED與波長結合的事實移動熒光粉是一種近乎理想的人造光源，用于匹配黑體輻射體的SPD，并限制能量發(fā)射到可見光譜，使該圖成為開發(fā)和表征白光LED的理想機制。

競爭與傳統(tǒng)照明一樣，LED制造商努力生產(chǎn)優(yōu)質產(chǎn)品。顯色指數(shù)（CRI）和色彩相關溫度（CCT）定義了設備的光質量。

CRI是光源忠實再現(xiàn)各種物體顏色的能力的定量測量。理想的或自然的光源。 Sunlight用作基準測試，CRI為100（參見TechZone文章“什么是顯色指數(shù)及其重要性？”）。當代LED如Cree的XLamp XM-L2芯片（153 lm/W，700 mA/2.9 V）和OSRAM的OSLON SSL系列的CRI范圍為80到85.

雖然沒有定義CRI在CIE色彩空間中，CCT絕對是。 CCT被定義為“普朗克[或黑體]輻射體的溫度，其感知顏色與在相同亮度和特定觀察條件下的給定刺激的顏色最接近?！?/p>

通過略微改變熒光粉化學，制造商可以改變他們的白色LED的CCT。圖5顯示了具有不同CCT的白色LED的光譜如何變化。此示例顯示了Cree XLamp XM-L2系列的LED。

圖5：不同CCT的Cree白光LED的相對光譜發(fā)射。

請注意，“較暖”的白色LED實際上具有較低的CCT。這些設備的輸出包含更多的紅色波長，即使人類的感知要求顏色是溫暖的，它也會將輻射移向普朗克軌跡的較冷端。 “酷”白色LED發(fā)出更多藍色，并且輻射被歸類為更熱，盡管人類還有另一種感覺，即確定光線更涼爽。制造商生產(chǎn)白色LED，其輸出分為“暖白”（2600至3700 K CCT），“中性白”（3700至5000 K CCT）和“冷白”（5000至8300 K）。

這些產(chǎn)品系列適合不同的應用。例如，消費者更喜歡在家中使用暖白色設備，而企業(yè)發(fā)現(xiàn)員工在冷白色照明下更有效率。

不可能可靠地制造完全相同CCT的LED。相反，制造商將具有類似CIE顏色坐標的設備分組為“箱”。分組由CIE顏色空間上的小四邊形確定，這些四邊形的垂直集具有相同的CCT（參見TechZone文章“定義白色LED的顏色特征”） “）。

設計出色的LED

如果制造商可以提供發(fā)出高質量光源的產(chǎn)品，消費者愿意用固態(tài)照明取代壽命短，效率低的傳統(tǒng)光源。 CIE色彩空間已被證明是LED制造商開發(fā)此類產(chǎn)品的寶貴工具，因為它考慮了眼睛對不同顏色光線的不同敏感度，并以Planckian軌跡形式定義了人工照明的關鍵參考，定義了溫度升高的黑體。