效率与光效

这种LED架构的光学性能具有相当高的效率，其原因表现在两个方面。首先，蓝光氮化锢嫁(InGaN)LED的电光功率转换效率非常高。

LED发光效率被定义为从LED辐射出来的光能的瓦数除以供应给它的电能的瓦数。一只典型的蓝色氮化锢嫁LED，其效率为30-35%。撇开这个高效率不说，蓝色LED的光效很差，因为人眼对蓝光波长的敏感度并不太高。

实际上，之所以使用"光效"(用流明每瓦衡量)而不是电光效率来作为主要的品质因数指标，原因就是出于眼睛的灵敏度。

然而，荧光粉的发光光谱和人眼的光谱响应曲线V(λ)符合性很好，因此，白光LED发光功效主要来自荧光粉的光辐射，穿透荧光粉的蓝光的影响很小(图 4)。

图4：相关色温4500K、显色指数92的“蓝光＋荧光粉”组合式白光LED的谱功率分布（与明视曲线（Photopic Curve）叠加）。

事实上，如果我们不在乎显色特性，或者说不让LED的色度坐标靠近普朗克曲线，我们就可以使用一种辐射光谱尽可能匹配V(λ)曲线的荧光粉并将荧光层的做得足够厚，让蓝色LED发出的所有光波都被荧光粉吸收，从而制作出具有超高发光功效的LED。

对暖白光LED来说，荧光粉必须在光谱的红端具有足够的功率以实现暖白色的相关色温。色温为2700K的LED，其选择的荧光粉具有广谱辐射特性，峰值辐射范围为590-630nm。

可惜的是，这类荧光粉会在650nm波长以外的区域产生大量人眼难以觉察的光辐射，这些光辐射对LED的发光功效几乎没有意义。这就是为什么相关色温低的LED，其发光功效不如同系列冷色温LED的原因。

高显色指数，暖色温

如果我们想要高显色指数的低色温LED(住宅应用的一种理想组合)，情况会变得更糟糕。这种情况下，我们需要相对于中短波长更长的光波 (600-700nm)。要实现这个目的，荧光粉的辐射峰值必须进一步向光谱的红端移动，也就进一步降低了LED的光效。

针对这个问题，固态照明厂商提出了两种解决方案。一种方案是在白光LED中加入一支红光LED，强化光谱的红色部分，而不会减弱原有白光LED的功效。欧司朗的Brilliant Mix产品和Cree的Truewhite技术就是这样的例子。

实际上，Brillian Mix通过使用一种偏绿色的白光LED以及一种高度匹配V(λ)曲线的荧光粉，提高了总的系统功效，从而实现了发光功效的最大化 (图 5)。

图5：相关色温2700K、显色指数92的欧司朗 Brilliant Mix 产品的谱功率分布（与明视曲线叠加）。

而CREE的Truewhite采用的是BSY（blue shifted yellow）＋R＝W的方案得到下面这样的光谱，相关色温3000K，显色指数达到93：

另一种方案是使用两套荧光系统。主荧光粉的光谱向蓝端有所偏移，随后加入的第二种荧光粉的光谱带宽较窄、峰值在610-620nm附近，以增强光谱的红端。这里的第二种荧光粉加强了光谱红端所需的功率，却不至于让太多的功率浪费在650nm以上的光波上(图 6)。

图6：相关色温2700K、显色指数94的双荧光粉白光LED的谱功率分布（与明视曲线叠加）。

第一种方案可以产生显色指数在90以上、色温在2700-3000K的LED，且依然保持了良好的发光功效。第二种方案可以获得95以上的显色指数，但发光功效不如显色指数较低的白光LED。

显色指数之外的问题

作为色彩再现性能的一种度量指标，显色指数有几个己知的缺陷。最明显的一点，是它仅使用8种谱反射分布(色片)来代表实际应用中可能碰到的真实物体可能拥有的无限多的谱反射分布。

有几种显色指数的替代指标被提议，例如Davis和Ohno在NIST提出的色彩质量等级(color quality scale，CQS)。在CQS或别的度量指标成为新的显色标准之前，我们只考虑显色指数。

显色指数标准中包含的另外6种色片，一定程度上可以用于弥补该标准所使用的少量的几个谱反射分布的不足。用于纯红色 (saturated red) 的R9值通常对白光LED十分有价值，因为白光LED缺乏长波长的光波，因而常常不能很好地还原纯红色。

在对比两只LED的显色指数值的同时，比较它们的R9值是有意义的，这对红色再现很重要的应用场合来说，尤其如此。

还有一些应用，让显色指数接近100可能并不能满足全部。在住宅、零售商店和餐馆这些显色指数被认为很重要的场合来说，可能更是这样。

例如，在某些场合你可能希望LED照明提升色饱和度。显色指数不能区分那种让颜色表现更浓一些或更淡一些的色彩再现方面的变化。被测对象和参考源之间的所有色彩差异都是被同等看待的。

众所周知，在数字成像中，我们更希望饱和度更高的色彩。今天，使用图像处理软件来提升数码照片的色饱和度，实际上己经成为了一种标准实践。

提升色彩饱和度

这个事实意味着，我们可能更喜欢那种可以提升色饱和度的照明。通过增强光源谱功率分布中某些关键波长处的光总量，我们可以提升特定颜色的色饱和度(或色纯度)，同时减小显色指数。

对LED来说，这是容易设想的。如果想要增强各基色成分，我们可以将红、绿、蓝三色LED和通常的白光LED一起使用，从而混入额外的红、绿、蓝三基色(图 7)。

图7：在图6所示的白光LED基础上增加一只红色LED（640纳米）、一只绿色LED（525纳米）和一只蓝色LED（460纳米）之后，获得的显色指数81的5500K光源。在这个光源的照射下，红、绿和紫色将会比图6的灯光具有更佳的色饱和度。

图7的例子中，红、绿、蓝三色LED被加入到图6所示的暖白光LED，产生出相关色温5500K、显色指数81的光源。虽然显色指数出现了明显下降，之所以如此，是因为除了TCS02(色)和TCS06(淡蓝色)之外，其余计算显色指数所用的色片的色饱和度升高了。这两种色片的色饱和度则基本上维持不变。

这些结论仅适用于显色指数计算中使用的特定色片。实际上不可能预测，被这样一只光源照射的时候，这些具有不同谱反射特性的色片，究竟会表现出怎样的色彩再现性能。

类似地，通过这样的方法，可以改变LED光源的谱功率分布，从而增强特定物品的色彩表现(例如，餐馆或食品杂货店中的食物)。LED技术第一次给了我们这样的工具，来裁剪(至少是一定程度上)光源的谱功率分布。这种灵活性到底会在今后几年里得到怎样的应用，这样的关注将是令人“鸡动”的。

显色指数和发光功效之间的权衡，是业界当前的主要关注点。随着发光功效的持续提升，我们将会高兴地看到LED相比于各种竞争性技术(如紧凑型荧光灯)所具有的更大的竞争优势。

到那时，进一步提升LED发光功效的边际回报，将会抵消部分发光效率，因为更高的显色指数是一个更有吸引力的选项。荧光粉技术也要继续改善，以减小为了获得更高的显色指数而对发光功效进行折中的需要。

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