CN101868086A

CN101868086A - 一种led光源模组及提高led光源模组显色指数的方法

Info

Publication number: CN101868086A
Application number: CN201010174062A
Authority: CN
Inventors: 王钢; 吴明洋; 薛志强; 吴昊
Original assignee: RESEARCH INSTITUTE OF SUN YAT-SEN UNIVERSITY IN FOSHAN
Current assignee: Foshan Evercore Optoelectronic Technology Co ltd
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2030-05-17
Also published as: WO2011143907A1; CN101868086B

Abstract

本发明公开了一种LED光源模组，以及提高LED光源模组显色指数的方法。该提高LED光源模组显色指数的方法，包括如下步骤：S1)选用或者制备白光LED和红光LED；S2)以所述白光LED作为基本光源，以所述红光LED对白光LED进行光谱补偿，并构成LED光源模组。该LED光源模组，包括白光LED，还包括对所述白光LED进行光谱补偿的红光LED。采用了本发明技术方案的提高LED光源模组显色指数的方法的LED光源模组，由于由于只采用一种单色LED进行光谱补偿，在具有高显色指数和高光效的同时，结构简单；后期可通过智能控制电路，对白光LED与红光LED的电流控制，获得不同的白光光谱，从而可以很容易得使其显色指数大于90，而且电路控制成本低廉。

Description

一种LED光源模组及提高LED光源模组显色指数的方法

技术领域

本发明涉及LED照明技术领域，具体涉及一种LED光源模组，以及一种提高LED光源模组显色指数的方法。

背景技术

LED作为新型高光效光源，其低能耗、长寿命等优势正在改变人类照明的方式。但是作为生活照明所使用的白光LED，受现在技术的约束，还存在较多问题，需要不断地改进。最初的白光LED是采用蓝光LED芯片发射蓝光来激发单种荧光粉获得白光LED的，这种白光LED虽然能够获得高光效，但是在某些可见光波段具有明显的光谱缺失现象，因而其光谱是一种断续光谱。由于这种光谱缺失的缺陷，此类白光LED的显色指数很难超过80，使得此类白光LED制作的LED光源模组或者LED灯具，在反映物体真实颜色的能力方面低于具有连续的、类日光光谱的传统光源，从而无法在显示性能上完全取代传统光源。因此近年来提高白光LED显色性能成为了LED照明技术领域的一个热点研究方向。

最初的改进技术中，还是采用蓝光LED芯片发射蓝光，但是蓝光激发的是多种荧光粉的混合体，从而获得白光LED。此种方法虽然能获得高显色指数的白光LED，但是此种白光LED的光效受到荧光粉材质、厚度等的影响，因而其光效远低于早先的白光LED；而且由于各种荧光粉的衰减速率不一致，在白光LED的有效寿命期限内往往会出现光色畸变的现象。

最新的技术中，以蓝光LED芯片发出的蓝光激发单种荧光粉而得到的白光LED作为基本光源，用多种单色光LED进行光谱补偿，从而获得高显色指数的LED光源模组，此种LED光源模组的光效也较高。此外，这种方式中还可利用智能技术来控制单色光LED的补偿比例，从而达到可调色温、光色稳定、一灯多用等多种照明效果。缺点在于，若要求LED光源模组达到较高的显色指数，以及正常范围的光色效果，需要采用多种单色光LED进行补偿，因而在电路控制方面花费很大。

综上所述，现有技术不能使得LED光源模组在具有高显色指数和高光效的同时，有效的降低成本，因此需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种提高LED光源模组显色指数的方法，解决现有技术中LED光源模组在具有高显色指数和高光效的同时，成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种提高LED光源模组显色指数的方法，包括如下步骤：

S1)、选用或者制备白光LED和红光LED；

S2)、以所述白光LED作为基本光源，以所述红光LED对白光LED进行光谱补偿，并构成LED光源模组。

优选的技术方案中，所述白光LED的色度坐标，在CIE1931色度图中：P1（0.227，0.239）、P2（0.210，0.290）、P3（0.269，0.469）、P4（0.346，0.522）、P5（0.491，0.451）五点连线所包围的五边形区域中；所述红光LED的峰值波长范围在610nm至670nm之间。

进一步优选的技术方案中，所述白光LED的色度坐标，在所述五边形区域中，位于黑体轨迹上方的部分。

优选的技术方案中，所述白光LED为已经封装好的单色白光LED；步骤S2)中所述的构成LED光源模组，包括将所述单色白光LED与红色LED混合集成封装的过程；或者所述白光LED和红光LED，为蓝光LED芯片通过荧光粉涂覆技术和红光LED芯片多片集成封装而成。

优选的技术方案中，步骤S2)中所述的光谱补偿，包括利用智能控制电路和智能控制技术对所述白光LED和红光LED的电流进行控制，从而调整光谱补偿比例的过程。

本发明所要解决的另一技术问题是，提供一种白光LED光源模，其在具有高显色指数和高光效的同时，能够有效的降低成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种LED光源模组，包括白光LED，还包括对所述白光LED进行光谱补偿的红光LED。

优选的技术方案中，所述白光LED为已经封装好的单色白光LED，所述单色白光LED与红色LED混合集成封装在一起；或者所述白光LED和红光LED，为蓝光LED芯片通过荧光粉涂覆技术和红光LED芯片多片集成封装而成。

优选的技术方案中，所述LED光源模组还包括采用智能控制技术对所述白光LED和红光LED的电流进行控制，从而调整光谱补偿比例的智能控制电路。

本发明的有益效果是：

采用了本发明技术方案的一种提高LED光源模组显色指数的方法的LED光源模组，由于只采用一种单色LED进行光谱补偿，在具有高显色指数和高光效的同时，结构简单，成本底廉。后期可通过智能控制电路，对白光LED与红光LED的电流控制，获得不同的白光光谱，从而可以很容易得使其显色指数大于90。

而且不同规格的白光LED与红光LED的组合非常多，其色温范围涵盖了2500K至10000K，解决了白光LED在日常照明使用中的绝大部分色温段的显色性问题，具有显著的指导生产意义。此外，由于较高色温的白光具有高光效的优势。高显色指数LED光源模组使用的特殊白光LED的色温，较所获得的最终LED灯具的色温可以高出1000K，这意味着最终得到的LED灯具容易实现高光效、高显色性的双重性能。

还可以通过智能控制电路和智能控制技术来控制白光LED与红光LED的电流比例，获得有效寿命内的高显色性、光色正常的LED光源模组。在一定范围内调节电流比例，一种LED光源模组可以获得多种光色效果；较现有技术中采用多种单色芯片补偿正常光色下的白光LED来说，本发明中所述的LED光源模组的组成方式只有白光LED和红光LED，因而控制电路的设计难度大大减小，电路部分的成本也大大降低。

下面将结合附图对本发明作进一步详述。

附图说明

图1为本发明特殊白光LED的CIE1931色度图；

图2为本发明特殊白光LED选择使用的说明示意图；

图3为本发明中一种特殊白光LED的光谱图；

图4为本发明中一种LED光源模组的光谱示意图。

具体实施方式

本具体实施方式的目的是，针对现有LED光源模组存在的问题，提供一种提高LED光源模组显色指数的方法，以及采用该方法制作的一种LED光源模组，该LED光源模组在具有高显色指数和高光效的同时，还能有效的降低成本。

通过我们最新的研究发现，采用合适的红光LED对一类特殊的白光LED进行补偿，而制作成的LED光源模组，提升显色指数的能力尤为突出。因而本具体实施方式的基本构思是，采用一类特殊规格的白光LED作为基本光源，然后用一种红光LED对其进行一定比例的光谱补偿。

如图1所示，为CIE1931色度坐标区域示意图。CIE1931色度图是国际照明委员会（CIE）1931年制定了一个色度图，属于现有技术，其相关知识本文不做过多描述。研究发现，色度坐标范围在CIE1931色度图中：P1（0.227，0.239）、P2（0.210，0.290）、P3（0.269，0.469）、P4（0.346，0.522）、P5（0.491，0.451）五点连线所包围的五边形区域中的特殊白光LED，是比较合适的选择。

所述五边形区域的具体获取原理和过程如下：

原理：根据颜色光相加原理，即多个光源在经过光的混合后，其所得到的新光源的光谱是多个光源的光谱的代数和。

实验过程：高显色性光源模组的光谱是由三个部分的光谱组成得到的。第一部分，蓝光光谱，通过蓝光LED芯片发光获得；第二部分，荧光粉的发射光谱，通过蓝光激发相应的荧光粉获得；第三部分，红光光谱，通过红光LED芯片发光获得。在实验过程中，通过采集实测数据和由规律总结出来的模拟光谱函数相结合，提供了这三部分光谱数据的典型值，蓝光LED的峰值波长在430nm～480nm区间，荧光粉的峰值波长范围在530nm～590nm区间，红光LED的峰值波长范围在610nm～670nm区间。在通过对这三部分光谱的归一化数据的加权后，并相加获得新的光谱。利用颜色光的相加原理，确定此条新光谱是能够准确获得的。计算出新光谱的显色指数。通过设定大范围的加权值区间，可获得N种可能的光谱。本文中的实验数据，通过加权获得的可能光谱数量超过5千万条，涵盖了绝大部分LED蓝光芯片和荧光粉所能形成的光谱类型范围。对其进行显色指数（Ra>90）、色温(2500K～10000K)、色度坐标距黑体轨迹0.0023三个条件的筛选后，得到符合高显色性光源模组的光谱数据，组成其光谱的加权蓝光和加权荧光粉部分的光谱既是特定白光的组成成分。通过大量的加权循环统计，发现符合筛选条件的蓝光光谱和荧光粉光谱组成的白光的色度坐标区域即为上述5点连线围成的区域。

进一步研究发现，黑体轨迹(如图中经过A点的一段曲线所示)的一部分将会通过所述五边形区域，而五边形区域中位于黑体轨迹上方的部分，即图1中的栅格区域，其对应的白光LED是更好的选择。用红光LED对色度坐标落于该栅格区域内的白光LED进行一定比例的光谱补偿，更容易得到显色指数大于90、正常光色效果的LED光源模组。而且栅格区域的特殊白光LED，通过红光LED的光谱补偿后，获得显色指数大于90的LED光源模组的色温范围在2500K至10000K之间，基本涵盖了现有照明灯具所使用的大部分色温区域。

如图1所示，组成栅格区域的白光LED的光谱成份特征如下：蓝光LED芯片的峰值波长范围在430nm～480nm区间；荧光粉的峰值波长范围在530nm～590nm区间；与其相对应的用于补偿作用的红光LED峰值波长范围在610nm～670nm区间。研究还发现，单色光LED芯片的带宽越大，越有利于提高显色指数，而且更容易获得类连续光谱。图1中还示意了特定白光LED的色度坐标区域：图1中的7个椭圆线框代表了7个典型峰值波长的荧光粉对应的色度坐标范围，峰值波长范围从左到右由530nm至590nm逐范围增大；蓝光LED芯片的峰值波长范围，如图1中左下角椭圆角矩形线框所示，从430nm到480nm逐范围增大；红光LED芯片的峰值波长范围，如图1中右下角长条栅格区域所示，从610nm到670nm逐范围增大。

研究还发现，蓝光LED芯片激发其栅格区域所对应的峰值波长区域的荧光粉，所产生的白光LED更容易获得更高显色指数的LED光源模组。

与现有LED光源模组及LED灯具相比，本发明所制作出的LED光源模组，以及包含所述LED光源模组的LED灯具具有以下有益效果：

一、在具有高显色指数和高光效的同时，结构简单，成本底廉。后期可通过智能控制电路，对白光LED与红光LED的电流控制，获得不同的白光光谱，从而可以很容易得使其显色指数大于90。

二、不同规格的白光LED与红光LED的组合非常多，其色温范围涵盖了2500K至10000K，解决了白光LED在日常照明使用中的绝大部分色温段的显色性问题。

三、由于较高色温的白光具有高光效的优势。高显色指数LED光源模组使用的特殊白光LED的色温，较所获得的最终LED灯具的色温可以高出1000K，这意味着最终得到的LED灯具容易实现高光效、高显色性的双重性能。

四、可以通过智能控制电路和智能控制技术来控制白光LED与红光LED的电流比例，获得有效寿命内的高显色性、光色正常的LED光源模组。

五、在一定范围内调节电流比例，一种LED光源模组可以获得多种光色效果；较现有技术中采用多种单色芯片补偿正常光色下的白光LED来说，本发明中所述的LED光源模组的组成方式只有白光LED和红光LED，因而控制电路的设计难度大大减小，电路部分的成本也大大降低。

本具体实施方式的一种LED光源模组，与现有技术的不同之处在于，选用了特殊的白光LED。而本具体实施方式的一种提高LED光源模组显示性的方法，也在于通过挑选出一种特殊的白光LED，并将之应用于LED光源模组，从而达到提高LED光源模组显色指数的目的。因此，本发明的关键在于，如何挑选出需要的特殊白光LED。

下面更具体的介绍一个挑选特殊白光LED的实例。通过确定LED光源模组所要达到的效果标准，确定出三部分光谱的组成参数。然后使用相应参数选择材料，制作出符合要求的高显色性LED光源模组。

一、确定LED光源模组的效果标准。如图2所示，首先在CIE1931色度图上选定LED光源模组所想要达到的光色效果，在色度图中以色度坐标描述。按照人眼对于白光的色偏差范围的要求来说，实际光源的色度坐标与同色温时的黑体轨迹上的色度坐标的色偏差应小于一定数值。本文中采用位于黑体轨迹垂直距离小于0.023内的色度坐标为有效色度坐标。此范围大于等于现有LED规定范围。（实际情况是，根据现有市面LED规格书上的有效范围进行统计后取出的值，此部分的内容现在没有很具体的规定，只有一些公认值。实际中，这个范围是变化的。为了避免实验的复杂性，又不影响实验的准确性，本文中采用的0.023是一个比较理想的衡量值）。

比如图2中的A点，其色度坐标距离相对应的色温下的黑体轨迹的距离为0.00001（表示无限接近黑体轨迹），设定A点是能够符合使用要求的光色效果标准的色度坐标，即要求其色偏差在容许范围内、显色指数大于90。

二、确定第三部分，即红光的特征参数。色温高的色度坐标点对应的红光应当选取峰值波长较长的区域，在色度图对其色度坐标进行标注。由于红光LED的光色饱和度很高，可以选择位于马蹄形轨迹曲线上的红光LED色度坐标点代替，即图2中的灰色窄带上的红光按照此规则进行选择，举例为C点，标注在图上进行示意。

三、确定第一、二部分，即荧光粉的特征参数。连接A、C两点，并延长至本发明涵盖的特定白光LED色度坐标区域内，确定出特殊白光LED的色度坐标点B（x，y）。B点是在AC的延长线上任意指定的。指定不同的B点将会影响蓝光芯片和荧光粉的参数选择。不同的选择主要涉及到芯片与荧光粉的匹配性，更深层次上影响LED光源的光效。因此在延长线上，根据实际情况进行B点的选择，更具有实际的指导意义。关于封装的匹配性此处不进行细述。

为了将本发明与实际生产结合，只需获得B点的色度坐标，便可以根据色度坐标（x，y）与色温T的函数关系式计算出需要制备的特殊白光LED的色温，从而指导特定白光LED的生产。

B点的位置决定使用的蓝光LED芯片和荧光粉的峰值波长范围。如图2所示，利用栅格划分关系（在数据统计过程中，发现蓝光区域和荧光粉区域具有大体的一一对应关系，即由合适的蓝光和相对应的荧光粉制作出的特定白光LED才能够符合高显色性光源模组的要求，将这种对应关系进行对应标识，在图中如栅格划分关系对应），因此确定了B点的坐标位置，便可以过B点做出直线通过椭圆线框区域和椭圆角矩形线框区域，确定蓝光芯片和荧光粉的特征参数。

根据图2中示意，经过对色度坐标的测量和色温的计算，A点色度坐标（0.3460，0.3523）、色温为4965K，B点色度坐标（0.2716，0.3602）、色温为8426K。由图2还可以看到，组成特殊白光LED的蓝光LED芯片的峰值波长在460nm附近，荧光粉的峰值波长在540nm～550nm之间。

图3所示是按要求获得的峰值波长为460nm、带宽为24nm的蓝光，激发峰值波长在550nm的荧光粉所获得的色温为8426K的白光LED的光谱图。通过与峰值波长为620nm、带宽为18nm的红光LED混色，得到色温为4965K、色度坐标为（0.3453，0.3455）、Ra为92的LED光源模组，其光谱图如图4所示。该LED光源模组在光源颜色和物体颜色两方面的显示都更符合视觉要求。

图5为使用本发明所获得的显色指数达到97、光源色度坐标接近黑体轨迹的LED光源模组的LED灯具的光谱示意图。

需要说明的是，该LED光源模组即可以是通过已封装好的单色白光LED和红色LED进行混合集成封装所实现，又可以通过蓝光LED芯片和红光LED芯片通过特殊的荧光粉涂覆技术所实现的单片集成封装所实现，不限定光源模组的封装形态。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种提高LED光源模组显色指数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)、选用或者制备白光LED和红光LED；

2.根据权利要求1所述的一种提高LED光源模组显色指数的方法，其特征在于，所述白光LED的色度坐标，在CIE1931色度图中：P1（0.227，0.239）、P2（0.210，0.290）、P3（0.269，0.469）、P4（0.346，0.522）、P5（0.491，0.451）五点连线所包围的五边形区域中；所述红光LED的峰值波长范围在610nm至670nm之间。

3.根据权利要求2所述的一种提高LED光源模组显色指数的方法，其特征在于，所述白光LED的色度坐标，在所述五边形区域中，位于黑体轨迹上方的部分。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种提高LED光源模组显色指数的方法，其特征在于，所述白光LED为已经封装好的单色白光LED；步骤S2)中所述的构成LED光源模组，包括将所述单色白光LED与红色LED混合集成封装的过程；或者所述白光LED和红光LED，为蓝光LED芯片通过荧光粉涂覆技术和红光LED芯片多片集成封装而成。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种提高LED光源模组显色指数的方法，其特征在于，步骤S2)中所述的光谱补偿，包括利用智能控制电路和智能控制技术对所述白光LED和红光LED的电流进行控制，从而调整光谱补偿比例的过程。

6.一种LED光源模组，包括白光LED，其特征在于，所述LED光源模组还包括对所述白光LED进行光谱补偿的红光LED。

7.根据权利要求6所述的一种LED光源模组，其特征在于，所述白光LED的色度坐标，在CIE1931色度图中：P1（0.227，0.239）、P2（0.210，0.290）、P3（0.269，0.469）、P4（0.346，0.522）、P5（0.491，0.451）五点连线所包围的五边形区域中；所述红光LED的峰值波长范围在610nm至670nm之间。

8.根据权利要求7所述的一种LED光源模组，其特征在于，所述白光LED的色度坐标，在所述五边形区域中，位于黑体轨迹上方的部分。

9.根据权利要求6至8中任意一项所述的一种LED光源模组，其特征在于，所述白光LED为已经封装好的单色白光LED，所述单色白光LED与红色LED混合集成封装在一起；或者所述白光LED和红光LED，为蓝光LED芯片通过荧光粉涂覆技术单和红光LED芯片多片集成封装而成。

10.根据权利要求6至8中任意一项所述的一种LED光源模组，其特征在于，所述LED光源模组还包括采用智能控制技术对所述白光LED和红光LED的电流进行控制，从而调整光谱补偿比例的智能控制电路。