如何在CIE色度空间来设计更好的发光二极管

大多数灯光师带LED工作明白是怎么委员会国际歌DE L’Eclairage(CIE)1931 X，Y色彩空间(或CIE色度空间上)被用作基础表征白光LED。从纯色或白色LED的输出可以在颜色(色调)和饱和度(纯度)方面用x被定义并在图上y坐标。

然而，很少有工程师明白为什么CIE色度空间上运作良好，为LED的分析工具。部分原因是自然光作为基准LED输出。这是因为太阳被认为是完美的照明器(到我们的眼睛已经变得完全演进)是黑体辐射发射在广泛带宽的光。照明技术，有关与波长移荧光体纯色LED中是唯一的是一个接近理想的人工光源，因为它们能够接近地模拟太阳的光谱功率分布(SPD)，同时限制能量发射到可见光谱。

从黑体辐射器的输出可以被绘制在CIE颜色空间，可作为LED的颜色相关温度(CCT)的基准的轨迹的形式。 CCT是表征LED的一个重要参数，使得制造商能够提供一系列的白光器件，以满足多种应用。

本文着眼于CIE色度空间上的起源 - 梦想了很久以前的LED都是实用的主流照明的想法 - 并说明如何使用它来帮助现代LED的发展和表征。

大自然的黑体辐射

在人类发现人造光照射的唯一来源是太阳。数百万年的进化已造成眼睛都运行在阳光下优化和人类的自然光等舒适和安全联系起来。

太阳是(约)黑体辐射体发光热过程的结果。光被定义为电磁辐射肉眼可见的。在阳光下，这种电磁辐射的主要来源是从原子被融合的热能在恒星的芯激励。

这种激发是高度无规的，但在宏观尺度上，从黑体光发射可使用普朗克定律准确建模。该法描述了黑色机身的热平衡，在一定的温度下所发出的电磁辐射。在给定波长(包括那些在不可见光谱例如红外线和紫外线)为不同温度的黑体改变发射的能量;例如，在较低温度下更长(更红)波长支配和黑色的机身将发出暗红色。温暖的黑色体从明亮的黄色，以蓝白色发出在较短(更蓝)波长更多的精力和范围的颜色，因为他们变得更热。

黑体的SPD的曲线示出的浓度，作为波长的函数，一个辐射或光度量的如从光源辐射能量或辐射通量。在太阳表面的温度约为5250 K和它发出的特征黄白色的中温星峰值排放(也许并不奇怪考虑如何在Sun已经影响了眼睛的进化)中的可见部分谱。图1示出了各种黑色机构的SPD - 包括Sun的模拟发射在5000的K - 覆盖在电磁波谱的可见部分。

黑体辐射光谱功率分布的图像

图1：黑体辐射在选定的温度光谱能量分布。

(需要注意的是大气，这尤其是散射蓝光，改变了太阳的颜色在地球表面，当太阳开销通过更少的气氛它的光线传播，会出现更多的“自然”(即黄白色)，而在晚上，例如，光行进通过的大气的较厚层，因此会出现更红的蓝色波长的光被散射到更大的程度。)

CIE色度空间

CIE色度空间上来源于一系列的实验由威廉大卫·怀特和约翰协会在20世纪20年代末完成的。下图提供了第一个确定的量化物理纯色之间在可见电磁频谱和生理感知颜色的人文色彩的视觉联系。

眼睛不检测所有颜色一视同仁。例如，在视网膜上的彩传感锥体最敏感的绿光。这些特殊的细胞的敏感度尾部脱迅速朝蓝(和红色)的光谱的一部分。锥体’在472毫微米灵敏度为蓝色光，例如，仅10%的那对555nm处的绿色。

什么特别新颖关于CIE颜色空间是，它使用了一组的配色函数是一个“标准”的人类观察者的色响应的数值的说明。的配色函数相关联物理产生的光的光谱具有特定的三色值 - 因而考虑到眼睛的光感受器的变化的灵敏度。

CIE色度空间允许色度颜色使用两个导出的参数，x和y被绘制的(颜色的质量，独立发光的指示)。不x和y中的颜色空间的所有值对应于可见的颜色。而是，所有的可见颜色被包含由“光谱轨迹”和所定义的包络线内“紫色线。”该光谱轨迹是一条曲线，绘出的x，y的值的颜色包括在整个可见光谱的单一波长。上的轨迹的编号对应的颜色的波长。紫线 - 直线轨迹由红色和蓝色的混合的 - 构成了CIE色度空间的下边界(图2)。

CIE色度空间图像

图2：CIE颜色空间表示普朗克轨迹的位置。

一种彩色的色调是由它的频谱上基本颜色(例如，红色，橙色，黄色，绿色，蓝色，或紫色)来确定。包括一个或几个波长颜色的饱和度总是比光相同的色调，但具有更宽的光谱带宽更大。越大光谱带宽(降低饱和度)进一步在x，y色度坐标移动从光谱轨迹。在该图的颜色的中心区域是去饱和和表现出柔和的色调。移动足够远到图中的中心和颜色成为白色和白色。白色通常被描述为一个不存在的颜色和由许多波长。的最近点到在CIE颜色空间“纯”白的是，相当于将SPD在可见光谱的每个波长表现出相等的能量的点。这点有时标记为“E”上的CIE色空间，但是最小的感兴趣LED制造商的，因为这种技术不容易本身借给相等能量的光源的制造。

即通常包括在CIE颜色空间的另一关键特征是普朗克(或黑体)位点。这些是各种温度下的黑体的色度坐标从1000 K(深红色)至10,000 K和上面的曲线(蓝白色)，参见图2的上方。

表征LED灯

之前，他们被认为用于照明应用，LED灯开始流行的应用，如指标和标志。红，绿，蓝设备继续在他们的数十亿美元，以制造和LED制造商加入了其他​​照明设备制造商使用CIE色度空间上，以自己的产品特点。

色调和饱和度(由LED的主波长确定的)可以使用图表明确定义。 LED的色调被定义为光谱轨迹通过从等于能量在点(E)的线通过在x，LED的y坐标相交的波长。饱和是由LED的x的位置来确定，Y沿着这条线的坐标。如果x，y坐标是一致E中的纯度为0。的LED待着朝向光谱轨迹纯度增大的线的坐标，达到1在轨迹(图3)。

色调和饱和度的LED图像

图3：CIE颜色空间可以用来明确定义的LED和其它光源的色调和饱和度。 (剑桥大学出版社提供)[1]

这么多的纯颜色的LED，在这里我们关心的是用于照明应用的白色设备。 CIE颜色空间可以被用于指示范围(或“域”)的颜色的组合红，绿，蓝(RGB)LED可产生。的光的仔细混合是产生“白”发光二极管的一种方式。可能x和RGB组合的y坐标的范围将落入一个三角形，其顶点是在x内，三源的y坐标(参照技术专区文章“第三种方法为白​​光LED”)。

然而，当今的大多数商业白光LED照明应用结合了宝蓝色钇铝石榴石(YAG)荧光粉LED。大多数LED的光子被磷光体吸收，并且，通过称为斯托克斯移位的处理，被重新发射在光谱的黄色和红色部分。剩余的蓝色光子发射不受影响，并用黄色和红色的光结合产生白光(见技术专区的文章“更白，更亮的LED”)。

图4显示了欧司朗的OSLON SSL白光LED的相对光谱发射(该芯片具有106流明/瓦，在350毫安/的功效2.95 V)。需要注意的是大的峰值出现在蓝色区域(从LED的直接贡献)，以进一步驼峰由磷光体产生的黄色和红色区域。

欧司朗OSLON SSL白光LED光谱功率分布的图像

图4：来自欧司朗OSLON SSL白光LED光谱功率分布。虚线钟形曲线是人眼的灵敏度函数。

完美的人造光

虽然在CIE颜色空间由几十年早商业的LED，但事实上，纯色LED与波长移荧光结盟是一个接近理想的人工光源，用于匹配黑体辐射体的SPD和限制能量发射到在可见光谱使得图中的理想机制，开发和检定白光LED。

与传统照明竞争，LED厂商努力生产出优质的产品。显色指数(CRI)和相关色温度(CCT)定义了从设备质量轻。

CRI是的光源的重现各种物体的颜色忠实地在与理想的或天然的光源比较的能力的定量测量。阳光作为基准，具有100的CRI(见技术专区的文章“什么是显色指数，它为什么如此重要?”)。当代的LED，如Cree的的XLamp XM-L2芯片)和欧司朗的OSLON SSL家族(在700毫安/ 2.9V的153流明/瓦)具有的CRI为80〜85的范围内。

虽然CRI没有在CIE色度空间定义，CCT最绝的是。 CCT被定义为“普朗克[或黑体]散热器的感知的颜色最相似，一个给定的刺激在相同的亮度和在特定观看条件下的温度”。

通过稍微改变的荧光化学，制造商可以改变他们的白光LED的色温。图5示出了如何白色LED具有不同色温的光谱变化。这个例子显示了Cree公司的XLamp XM-L2系列LED。

相对光谱排放量为Cree白光LED的图片

图5：相对光谱排放不同色温的Cree公司白光LED。

请注意，“暖”白光LED实际上有较低的相关色温。来自这些设备的输出中含有较多的红色波长的光，其中将移动到普朗克轨迹的较冷端的辐射，即使人的感知决定了颜色是温暖。 “冷”白光LED发射更蓝，和辐射被归类为热，尽管再次，人类有一个替代的感知，其确定的光冷却器。制造商生产白色LED，归类为“暖白”(2600至3700ķCCT)，“中性​​白”(3700为5000 K CCT)和“冷白”(5000〜8300 K)输出。

这些产品系列适合不同的应用。例如，消费者更喜欢暖白色家用设备，而企业发现，员工在冷白光照明效率更高。

这是不可能的可靠制造完全相同的CCT的发光二极管。相反，制造商组具有相似CIE色坐标转换成“垃圾桶”的分组是通过与这些四边形具有相同CCT垂直套CIE色度空间小四边形确定(见技术专区的文章“定义的白光LED的颜色特性“)。

卓越的LED设计

消费者愿意代替短暂的，低效率的传统光源与固态照明，如果制造商能提供的产品发出高品质的光。 CIE色度空间上已经证明一个宝贵的工具LED厂商开发这样的产品，因为它考虑到了眼睛的不同感光度不同的颜色，并采用人工照明在普朗克轨迹的形式确定排放量的颜色的重要依据温度升高的黑色体。