施克孝

（中廣國(guó)際建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100034）

1 加色法與減色法

在談到LED光源顏色的時(shí)候，經(jīng)常有人說(shuō)“LED光源是加法，換色器是減法”。

顏色真的有加法和減法嗎？在色度學(xué)中，確實(shí)有相加混色法，簡(jiǎn)稱(chēng)加色法，也有相減混色法，簡(jiǎn)稱(chēng)減色法。

在加色法中，兩種光源的顏色按不同比例相加（共同照射在白色背景上），會(huì)產(chǎn)生各種新的顏色。前文已述，兩種顏色的混合比例決定新顏色的色調(diào)及飽和度，即色度，新顏色的亮度是兩種顏色的亮度和。如圖1所示，圖中的紅光和綠光相加（紅、綠重疊的部分）得到黃光，黃光的亮度等于紅光與綠光的亮度和，如果用照度表去測(cè)黃光區(qū)域的照度，它也是紅光與綠光的照度和。同理，紅色和藍(lán)色相加得到品紅色，藍(lán)色和綠色相加得到青色，紅、綠、藍(lán)三色相加得到白色。

加色法又分光譜混色法、空間混色法、時(shí)間混色法和生理混色法等。影視、舞臺(tái)燈光中的顏色光，就是光譜混色法。彩色電視接收機(jī)的顯示器是空間混色法。彩色電視接收機(jī)顯示器的屏幕由很多小光點(diǎn)組成，三個(gè)點(diǎn)為一組，三個(gè)點(diǎn)分別是紅、綠、藍(lán)三基色，三基色的比例不同，就可以得到各種各樣的顏色。只要小點(diǎn)足夠小，小點(diǎn)間的距離足夠近，眼睛就看不出小點(diǎn)，看到的就是一幅連續(xù)的彩色畫(huà)面。

彩色電影、彩色印刷及燈光常用的濾色片、換色器等采用減色法。所謂減色法就是從白光或復(fù)合光中減去某種或某些色光而得到另一種色光的方法。例如，電腦燈光源前的紅色濾色片，就是白光通過(guò)濾色片時(shí)，只透過(guò)紅光，濾掉了其他光譜，即從白光中減掉了紅光以外的其他光，所以稱(chēng)為減色法。例如麥稈黃（旋麗彩色燈光濾色片，N0512）濾色片的透光率為69.8%，就是說(shuō)，不加濾色片時(shí)測(cè)試點(diǎn)的照度如果是1 000 lx，加麥稈黃濾色片后，同樣地點(diǎn)的照度就變成698 lx；如果是深藍(lán)（旋麗彩色燈光濾色片，N0802）濾色片，它的透光率只有18.5%，那么，同樣是1 000 lx的白光，加深藍(lán)濾色片后就變成了185 lx，這個(gè)損失是很大的。從這個(gè)角度講，減色法中光的能量損失很大，而加色法具有突出的優(yōu)點(diǎn)。LED多色光源除本身發(fā)光效率高以外，采用加色法比換色器的減色法大大節(jié)約了能源。

圖1 三原色相加

2 LED的發(fā)光顏色

LED的發(fā)光顏色、發(fā)光效率與制作LED的材料和制作工藝有關(guān)。目前已經(jīng)可以制作出各種顏色的LED光源，其中使用最廣泛的顏色有紅、綠、藍(lán)、白、琥珀色等多種顏色。

不同的材料可以產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光子。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，波長(zhǎng)不同，顏色也就不同。歷史上， LED光源使用的第一種材料是砷化鎵，其發(fā)出的光線為紅外線。另一種常用的LED材料為磷化鎵，其發(fā)出的光線為綠光。通常，把用GaAs（砷化鎵，改進(jìn)制作工藝后可發(fā)紅光）、GaP（磷化鎵，發(fā)綠光）、GaN（氮化鎵，發(fā)藍(lán)光）這些用兩種元素生產(chǎn)的LED稱(chēng)為二元素LED；把Ga、As、P三種元素生產(chǎn)的LED稱(chēng)為三元素LED；而目前最新的工藝是用混合鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）、氮（N）四種元素生產(chǎn)的LED，稱(chēng)為四元素LED。四元素LED的顏色可以涵蓋所有可見(jiàn)光及部分紫外線的光譜范圍。

在許多功能性照明中，都需要白光，影視、舞臺(tái)行業(yè)尤其如此。特別是人物光，不但需要白光，而且對(duì)光源的色溫及顯色指數(shù)還有要求。嚴(yán)格地講，人物光、話劇舞臺(tái)的場(chǎng)景光等對(duì)光源光譜的連續(xù)性、光譜的分布都有很苛刻的要求。

3 實(shí)現(xiàn)白光LED的方法

雖然上個(gè)世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出LED光源，但一直到1998年，白光LED才開(kāi)發(fā)成功。這種LED是將發(fā)藍(lán)光的GaN芯片和YAG（釔鋁石榴石）熒光粉封裝在一起做成的。GaN發(fā)藍(lán)光，它的主波長(zhǎng)是465 nm，該藍(lán)光的一部分激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出黃光。藍(lán)光與黃光是互補(bǔ)色，它們相加得到白光，如圖2所示。

現(xiàn)在，通過(guò)改變YAG熒光粉的化學(xué)組成及調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得不同色溫（2 700 K～8 000 K）的白光。目前，采用這種方法制造的白光LED已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。影視照明燈具中用得最多的就是這種白光LED。這種白光LED，熒光粉的質(zhì)量是影響光源色溫、顯色指數(shù)及壽命的重要因素。

另外，用多芯片LED也可以形成白光。如圖1所示，分別用紅光LED、綠光LED、藍(lán)光LED封裝在一起產(chǎn)生白光。這種方法還可以分別調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)三色光的比例得到各種色光。這種方法可以得到最高的發(fā)光效率，但也存在一些問(wèn)題，就是各個(gè)色光的驅(qū)動(dòng)電流和溫度變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)色光發(fā)光不一致，同時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，光通量的衰減速度也不相同。此外，散熱問(wèn)題比較突出，生產(chǎn)成本居高不下。

還有一種方法也可以得到白光，那就是用發(fā)紫外線的LED激發(fā)三基色熒光粉得到白光。其特點(diǎn)是光譜的可見(jiàn)光部分完全由熒光粉產(chǎn)生，白光比較純正。不過(guò)，它的電光轉(zhuǎn)換效率較低，同時(shí)封裝材料在紫外線的照射下容易老化，壽命較短，也存在紫外線泄露的隱患。

在影視燈具中，目前用得最多的是在一臺(tái)燈具中安排多顆1 W 、3 W或5 W的LED光源，按一定比例選用紅、綠、藍(lán)、白4種顏色或紅、綠、藍(lán)、白、琥珀色5種顏色。這種燈具的好處是各色光可以分別控制，從而可得到豐富多彩的顏色。缺點(diǎn)是用單色光時(shí)，只有一部分光源工作，所以照度較低。還有的廠家在一個(gè)燈具中安裝7色LED光源，由于它色域更廣，顯色就會(huì)更好一些。當(dāng)然，造價(jià)也就更高。最近，飛利浦公司推出一款130 W的LED燈具，最大特點(diǎn)是使用的4色（紅、綠、藍(lán)、白）芯片尺寸很小（4色總發(fā)光面積小于10 × 10 mm2），接近點(diǎn)光源，光路設(shè)計(jì)合理，光斑質(zhì)量好，光通利用率高。由于采用光子晶格技術(shù)從LED高效導(dǎo)出光，再由光導(dǎo)管導(dǎo)出并混色，所以，燈具效率高，混色效果好，即使距離燈具很近，也看不出色彩不均勻的現(xiàn)象。

白光LED具有許多誘人的優(yōu)點(diǎn)，但它要想成為功能性照明，特別是影視、舞臺(tái)照明的主角，還要攻克一些技術(shù)難題，例如，LED的顯色性、光效、壽命還有待進(jìn)一步提高，而成本應(yīng)大幅度下降。

4 光譜分布與LED光源的顯色性

物體色除本身的反射特性外，還直接受光源的光譜分布的影響?？梢赃@樣說(shuō)，從光源的光譜分布就可以很便捷地看出各種物體色的顯色效果。

光源可以用色溫、顯色指數(shù)、色度圖坐標(biāo)、光譜分布來(lái)表述，光源的參數(shù)，特別是光譜分布這個(gè)參數(shù)，不但說(shuō)明“自己”，還在一定程度上說(shuō)明“物體色”。光源相對(duì)能量較高的波長(zhǎng)部分，物體色就較明亮；相對(duì)能量較低的波長(zhǎng)部分，物體色就顯得暗淡。

以下是幾種光源的光譜分布對(duì)物體顏色的影響。

（1）很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)的路燈都是汞燈（俗稱(chēng)“水銀燈”），光譜分布見(jiàn)圖3，由于它的光譜以藍(lán)光、綠光為主（紅光很少），所以，偏紅的顏色顯色性很差，汞燈下人的膚色發(fā)青，很難看。

（2）上世紀(jì)70年代中期以后，我國(guó)的路燈逐漸換成了高壓鈉燈。高壓鈉燈的光效較汞燈提高了很多，路面亮了很多，但它以黃色光譜為主，如圖4所示。由于鈉燈缺少藍(lán)光，所以，各種藍(lán)色的物體（例如各種藍(lán)色及深冷色調(diào)顏色的汽車(chē)）在高壓鈉燈下就看不清楚。

（3）圖5是鹵鎢燈的光譜分布。由于鹵鎢燈的顯色性接近日光，因此，它一直是影視、舞臺(tái)照明光源的主角。與日光比較，它相對(duì)紅光較多，藍(lán)光較少，所以，在鹵鎢燈下，看肉色就顯得紅一些，看藍(lán)色就沒(méi)有在日光下鮮艷。另外，它的光效較低，不節(jié)能，肯定要被光效更高、顯色性好的新光源代替，這只是個(gè)時(shí)間問(wèn)題。

（4）圖6是日光的光譜分布，它在可見(jiàn)光的范圍內(nèi)基本上是均勻的，接近“等能量分布”。之所以把日光的顯色指數(shù)定義為100，就是因?yàn)槲覀冮L(zhǎng)期生活在日光下，接受了日光下的各種顏色，認(rèn)為各種物體的顏色在日光下“最正”。

（5）在追求高光效的同時(shí)，提高顯色性，以滿足影視、舞臺(tái)對(duì)光源高顯色性的要求，是LED光源的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

要提高LED光源的顯色性，就要向日光、向等能量分布“看齊”。目前的LED光源，不管哪種白光LED光源，光譜分布都不同程度存在“高峰”和“谷地”，本文中圖2是雙色白光LED光源的光譜分布圖，圖7是三基色白光LED光源的光譜分布圖?？梢哉f(shuō)，LED光源要提高顯色指數(shù)，就要削“峰”填“谷”，向等能量分布發(fā)展。

如圖8所示，同樣是藍(lán)光激發(fā)熒光粉得到黃光，藍(lán)光加黃光得到白光，綠色曲線是改進(jìn)前的光譜分布曲線，粉色曲線是改進(jìn)后的光譜分布曲線。從粉色曲線可以看出，黃光部分變寬了，而“低谷”抬高了一些，這樣做就提高了顯色指數(shù)。粉色曲線如在不降低黃色光譜成分的前提下，藍(lán)光峰值再低一些光譜分布會(huì)更合理一些。

圖9是七色白光LED的光譜分布曲線。從圖中可以看出，雖然色域?qū)捔?，光譜分布改善了，但仍有明顯的“高峰”與“低谷”。只要有“高峰”與“低谷”，“高峰”處的物體色就顯得較為明亮，“低谷”處的物體色就會(huì)相對(duì)暗淡。LED光源的顏色取決于制作它的材料，如果能找到三色（紅、綠、藍(lán)）LED材料的主波長(zhǎng)（光譜分布的最高點(diǎn)）符合用戶的不同要求，且每種顏色覆蓋的寬度足夠大（例如每種顏色的波長(zhǎng)變化接近余弦分布），就可以使整個(gè)光譜分布比較平齊，光源的顯色性也就會(huì)大大提高。

當(dāng)然，對(duì)LED光源而言，如果顯色指數(shù)高，光效也高是最理想的。事實(shí)上，目前二者往往是矛盾的。光效高了，就要犧牲一些顯色指數(shù)；顯色指數(shù)高了，光效往往就難以做得很高。在顯色指數(shù)滿足使用要求的前提下，盡量追求高光效是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。