波长及颜色通信电子光网络传输_通信电子-数据通信与网络.pdf

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1、波长及颜色三、芯片发光颜色（COLW）红（Red）:R（610nm-640nm）黄（Yellow）:Y（580nm-595nm）兰（Blue）:B（455nm-490nm）兰绿（Cyan）:C（490nm-515nm）绿（Green）:G（501nm-540nm）紫（Purple）:P（380nm-410nm）琥珀（Amber）:A（590nm-610nm）白（White）:W2 黄绿（Kelly）:K（560nm-580nm）暖白（Warm white）W3 四、颜色波长 红：R1:610nm-615nm 兰：R2:615nm-620nm B1:455nm-460nm R3:620nm-62

2、5nm B2:460nm-462.5nm R4:625nm-630nm B3:462.5nm-465nm R5:630nm-635nm B4:460nm-465nm R6:635nm-640nm B5:465nm-470nm 黄：B6:470nm-475nm Y1:580nm-585nm B7:475nm-480nm Y2:585nm-590nm B8:480nm-485nm Y3:590nm-595nm B9:485nm-490nm 琥珀色：黄绿：A1:600nm-605nm K1:560nm-565nm A2:605nm-610nm K2:565nm-570nm 兰绿：K3:570nm-5

3、75nm G1:515nm-5 仃.5nm K4:575nm-580nm G2:5仃.5-520nm 纯绿：G3:520nm-525nm C1:490nm-495nm G4:525nm-530nm C2:495nm-500nm G5:530nm-535nm C3:500nm-515nm G6:535nm-540nm 的度量色度图明度色调和饱和度称为颜色视觉三特性明度就是明亮的程度色调是由波长决定的色别如光的色调是红色光的色调是黄色光的色调是绿色等等饱和度就是纯度没有混入白色的窄带单色在视觉上就是高饱和度的颜色光谱所个色度图用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色即用三种基色相加的比例来表示某一

4、颜色并可写成方程式式中代表某一种颜色是红绿蓝三基色是每种颜色的比例系数它们的和等于即是指匹配即在视觉上颜色相同如某一蓝绿色的比例加以规定因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置色度图中轴色度坐标相当于红基色的比例轴色度坐标相当于绿基色的比例图中没有轴色度坐标即蓝基色所占的比例因为比例系数的坐标值可以推算出来即一附图国际照委会图文：颜色的度量CIE1931色度图 明度、色调和饱和度称为颜色视觉三特性。明度就是明亮的程度；色调是 由波长决定的色别，如700nm光的色调是红色，579nm光的色调是黄色，510nm 光的色调是绿色等等；饱和度就是纯度，没有混入白色的窄带单色，在视觉上 就是高饱和度的颜色

5、。光谱所有的光都是最纯的颜色光，加入白色越多，混合 后的颜色就越不纯，看起来也就越不饱和。国际照明委员会（CIE）佃31年制定了一个色度图，用组成某一颜色的三 基色比例来规定这一颜色，即用三种基色相加的比例来表示某一颜色，并可写 成方程式：(C)=的度量色度图明度色调和饱和度称为颜色视觉三特性明度就是明亮的程度色调是由波长决定的色别如光的色调是红色光的色调是黄色光的色调是绿色等等饱和度就是纯度没有混入白色的窄带单色在视觉上就是高饱和度的颜色光谱所个色度图用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色即用三种基色相加的比例来表示某一颜色并可写成方程式式中代表某一种颜色是红绿蓝三基色是每种颜色的比例系数

6、它们的和等于即是指匹配即在视觉上颜色相同如某一蓝绿色的比例加以规定因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置色度图中轴色度坐标相当于红基色的比例轴色度坐标相当于绿基色的比例图中没有轴色度坐标即蓝基色所占的比例因为比例系数的坐标值可以推算出来即一附图国际照委会式中，(C)代表某一种颜色，(R)、(G)、(B)是红、绿、蓝三基色，R、G、B是每种颜色的比例系数，它们的和等于 1,即R+G+B=1,“C”是指匹 配即在视觉上颜色相同，如某一蓝绿色可以表达为：(C)=0.06(A)+03X(7)+0.63(5)如果是二基色混合，则在三个系数中有一个为零；如匹配白色，则 R、G、B应相等。任何颜色都用匹配该

7、颜色的三基色的比例加以规定，因此每一颜色都在色 度图中占有确定的位置。色度图中：X轴色度坐标相当于红基色的比例；Y轴色度坐标相当于绿基色的比例。图中没有 Z轴色度坐标(即蓝基色所 占的比例)，因为比例系数X+Y+Z=1,Z的坐标值可以推算出来，即1 一(X+Y)=Z。的度量色度图明度色调和饱和度称为颜色视觉三特性明度就是明亮的程度色调是由波长决定的色别如光的色调是红色光的色调是黄色光的色调是绿色等等饱和度就是纯度没有混入白色的窄带单色在视觉上就是高饱和度的颜色光谱所个色度图用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色即用三种基色相加的比例来表示某一颜色并可写成方程式式中代表某一种颜色是红绿蓝三基色

8、是每种颜色的比例系数它们的和等于即是指匹配即在视觉上颜色相同如某一蓝绿色的比例加以规定因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置色度图中轴色度坐标相当于红基色的比例轴色度坐标相当于绿基色的比例图中没有轴色度坐标即蓝基色所占的比例因为比例系数的坐标值可以推算出来即一附图国际照委会ri 0 U V 0,30 0,70 附图 31 CE 1931 国际照委会制定的CIE佃31色度图如附图31。色度图中的弧形曲线上的各 点是光谱上的各种颜色即光谱轨迹，是光谱各种颜色的色度坐标。红色波段在 图的右下部，绿色波段在左上角，蓝紫色波段在图的左下部。图下方的直线部 分，即连接400nm和700nm的直线，是光谱上

9、所没有的、由紫到红的系列。靠 近图中心的C是白色，相当于中午阳光的光色，其色度坐标为 X=0.3101，Y=0.3162。设色度图上有一颜色S,由C通过S画一直线至光谱轨迹 0点（590nm），S颜色的主波长即为590nm，此处光谱的颜色即S的色调（橙色）。某一颜色离 开C点至光谱轨迹的距离表明它的色纯度，即饱和度。颜色越靠近 C越不纯，越靠近光谱轨迹越纯。S点位于从C到590nm光谱轨迹的45%处，所以它的色 的度量色度图明度色调和饱和度称为颜色视觉三特性明度就是明亮的程度色调是由波长决定的色别如光的色调是红色光的色调是黄色光的色调是绿色等等饱和度就是纯度没有混入白色的窄带单色在视觉上就是高

10、饱和度的颜色光谱所个色度图用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色即用三种基色相加的比例来表示某一颜色并可写成方程式式中代表某一种颜色是红绿蓝三基色是每种颜色的比例系数它们的和等于即是指匹配即在视觉上颜色相同如某一蓝绿色的比例加以规定因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置色度图中轴色度坐标相当于红基色的比例轴色度坐标相当于绿基色的比例图中没有轴色度坐标即蓝基色所占的比例因为比例系数的坐标值可以推算出来即一附图国际照委会纯度为45%（色纯度=（CS/CO）X 100o从光谱轨迹的任一点通过 C画一 直线抵达对侧光谱轨迹的一点，这条直线两端的颜色互为补色（虚线）。从紫红 色段的任一点通过C点画一直

11、线抵达对侧光谱轨迹的一点，这个非光谱色就用 该光谱颜色的补色来表示。表示方法是在非光谱色的补色的波长后面加一 C字,女口 536G，这一紫红色是536nm绿色的补色。CIE佃31色度图有很大的实用价值，任何颜色，不管是光源色还是表面色，都可以在这个色度图上标定出来，这就使颜色的描述简便而准确了。例如为了 保证颜色标志的正确辨认和交通安全的管制，在 CIE佃31色度图上规定了具体 的范围，它适用于各种警告信号和颜色标志的编码。再如在CIE佃31色度图上，可推出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。如 Q和S相加，得出Q到S直 线的各种中间颜色，如 T点，由C通过T抵达552nm的光谱色，可由552

12、nm 的波长颜色看出T的色调，并可由T在C与552nm光谱色之间所占位置看出它 的纯度。在实际应用中，如彩色电视、彩色摄影（乳胶处理）或其它颜色复现系统 都需要选择适当的红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色，用来复现白色和各种颜 色，所选定的（R）、（G）、（B）在色度图上的位置形成一个三角形。应使（R）、（G）、（B）三角形尽量能包括较大面积，同时（R）、（G）、（B）线应尽量靠近 光谱轨迹，以复现比较饱和的红、绿、蓝等颜色。尽管短短的几年来，白光LED的研发和应用取得举世瞩目的成绩，但目前还存 在诸多问题，只能用于一些特殊的领域中。我们注意到，目前普通的白光 LED 与用作照明光源白光LED

13、的概念是有质的差异，并不是越 白”越好。人们对用 作照明的白光光源有着严格的要求，国际和我国早已制定标准。照明光源有六 个严格的标准色温区：6400K、5000K、4000K、3450K、2900K及2700K及其 相应的色域，照明光源的色品质参数是相互关联的。必须同时得到满中，方可 称为合格的照明光源。尽管目前作为照明光源 一一白光LEDs还没有国际CIE 标准及中国的国家标准，但是应当参照国际 CIE和中国国家标准来要求和指导 白光LEDs新照明光源的发展和应用。迄今有关不同色温度，高显色性白光LED 的色品质和光谱特性报道欠缺。本文按照国家照明光源标准，报告和分析所研 发的8000-40

14、00K不同色温的白光LED的发射光谱、色品质及光电特性。1、实现相关色温原理和实验从市场上可以很方便地购得多家公司提供的 不同等级的InGaN蓝光LED芯片。这些芯片样品可分为发射波长 455-460nm、460-465nm 及 465-470nm;光强一般在 40mcd以上。蓝芯片尺寸大多为 320X320um左右。依据发光学光转换和色度学原理，采用蓝光LED芯片和可被 蓝光有效激发的荧光粉有机组合成白光 LED技术实现白光。荧光粉选择是多样 性的，可以是一种黄色荧光粉或黄色和红色混合荧光粉。调控各发光颜色强度 比，实现各种色温的白光。将含有荧光粉的优质高透过率树脂胶仔细涂覆在蓝 芯片的度量

15、色度图明度色调和饱和度称为颜色视觉三特性明度就是明亮的程度色调是由波长决定的色别如光的色调是红色光的色调是黄色光的色调是绿色等等饱和度就是纯度没有混入白色的窄带单色在视觉上就是高饱和度的颜色光谱所个色度图用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色即用三种基色相加的比例来表示某一颜色并可写成方程式式中代表某一种颜色是红绿蓝三基色是每种颜色的比例系数它们的和等于即是指匹配即在视觉上颜色相同如某一蓝绿色的比例加以规定因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置色度图中轴色度坐标相当于红基色的比例轴色度坐标相当于绿基色的比例图中没有轴色度坐标即蓝基色所占的比例因为比例系数的坐标值可以推算出来即一附图国际照委会

16、周围，用常规的圭寸装工艺和环氧树脂圭寸装成常规 5mm子弹型和半球型白 光LED。白光LED的发射光谱，色品技及其他光电特性由浙大三色仪器有限公 司生产的型号为SPR-920D型光谱辐射分析仪测试记录。该仪器配有一个 0.5m 的积分球及直流电源。所有实验均在室温下进行，白光 LED的发射光谱在正向 电流IF=20mA下测试。2、不同色温白光LED的光谱特性 2.1 8000K的白光LED 7000-10000K白光呈现发蓝高色温的白光。在照明 光源标准中没有这个标准。它是不能有作普通家庭照明光源的。这种高色温发 蓝的白光LED可以用于要求不严的特殊照明和指示中，有一定用途。图 1给出 相关色

17、温为8070K的半球5白光LED的发射光谱。它是由InGaN蓝光LED 的电致发光光谱和稀土 YAG:Ce体系黄色荧光体被蓝光激发的光致发光光谱所 组成，两光谱的本质是不同的。这样构成相关色温为8070K的发蓝的白光光谱，色品坐标x=0.2979,y=0.2939,在黑体轨迹的附近。2.2 6400K的白光LED图 2是在正向电流IF=20mA下的色温为6450K的白光LED的发射光谱。它是属 于色温为6400K的日光色。是目前照明光源使用的最广泛的色温之一。其光谱 所组成。和图1光谱相比，黄成份的光谱增强，色温降低。此时白光 LED中的 蓝光EL光谱和只有InGaN LED的蓝光光谱相比是有

18、差异的，因为发生荧光体 高效的吸收蓝光和光转换的辐射传递。而这种光吸收（激发）与荧光体的激发 光谱密切相关。由于这种荧光体光转换过程致使白光 LED中的蓝光光谱的能量 分布、发射峰以及半高宽等性质发生变化。所涂覆的荧光粉越多，蓝色光谱变 化越严重，在低色温的白光 LED中更为明显。该白光LED的色品坐标 X=0.3146，Y=0.3360,它们落在 CIE标准色度图 6400K标准色温的色容差图的最内圈，其色容差 1.9，很满意，显色指数 Ra为 82,完全符合照明光源的要求。2.3 5000K的白光LED 色温5118K的白光LED的发射光谱（如图3所示），它属于标准色温为5000K的中性白

19、光。光谱性质和上述相同，只是光谱中的黄 成份的比例增加。该白光 LED的色品坐标 X=0.3422，Y=0.3543,其色容差在 5000K标准色温的色域中为2.1,很满意，Ra=81。完全符合照明光源的光色参 数要求。若要提高显色指数 Ra，需要增加光谱中的红成份，可能牺牲光效。此 外,在IF=20mA下，白光LED的光转换倍数高达4.9倍。这里所说的光转换倍 数（B）定义是在某一正向电流IF和不同的色温下，是不同的。2.4 4000K的白光LED迄今有关符合照明光源标准要求的 4000K白光 LED光谱和色品质的报告很少。这是因为仅用稀土 YAG:Ce体系黄色荧光体 难以制作合乎要求的Tc

20、W4000K的白光LED，显色指数低，色品质差。为此，需要加入适量的红色荧光体，补足光谱中红成份。图 4为我们开发40佃K白光 LED的发射光谱，它属于标准的色温为 4000K的冷白色。光谱中黄和橙成份增 加，相对光谱中蓝成份的比例进一步下降。该白光 LED的色品坐标X=0.3810,Y=0.3815，在标准4000K色温的色容差的最内圈中，其色容差为 0.6,显色指数 Ra=82。色品质甚佳，完全符合照明光的严格要求。3、白光LED的性质与IF 的关系 3.1色品坐标 光源的色品坐标是一个重要参数。图5给出5000K白光LED 在不同正向电流IF驱动下的色品坐标X和Y值的变化曲线。这条曲线给

21、绘在标 准6400K色温的色容差图中，具有直观动态感。其中纵坐标为 Y值，横坐标为 X值，而上横坐标为IF（mA）。显然，随IF增加，色品坐标X和Y值逐渐偏 离，至U IF=70,80mA时，偏离非常严重。3.2相关色温 由上述色品坐标X和Y值随IF的变化，指明发生色漂移，这的度量色度图明度色调和饱和度称为颜色视觉三特性明度就是明亮的程度色调是由波长决定的色别如光的色调是红色光的色调是黄色光的色调是绿色等等饱和度就是纯度没有混入白色的窄带单色在视觉上就是高饱和度的颜色光谱所个色度图用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色即用三种基色相加的比例来表示某一颜色并可写成方程式式中代表某一种颜色是红绿

22、蓝三基色是每种颜色的比例系数它们的和等于即是指匹配即在视觉上颜色相同如某一蓝绿色的比例加以规定因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置色度图中轴色度坐标相当于红基色的比例轴色度坐标相当于绿基色的比例图中没有轴色度坐标即蓝基色所占的比例因为比例系数的坐标值可以推算出来即一附图国际照委会必然在相关色温中也呈现反映。图 6表示白光LED在不同IF工作下的相关 色温变化规律。显然，随着IF增加，相关色温Tc（K）逐渐增加，由日光色变 为蓝白色。这是因为随正向电流IF的增加，白光LED的发射光谱，特别是InGaN LED蓝芯片的发射光谱发生很大变化，导致白光的发光颜色、色品质等性能改 变。3.3白光LED

23、的光通和光效 制作的白光LED的光通（）和光效（n 随施加的正向电流IF的变化曲线（如图7所示）。光通呈亚线性增加，趋向饱 和，而光效逐渐下降。白光 LED的光效下降与Taguchi等人的结果是一致的。白光LED的光通和光效的这种变化，在不同色温的白光 LED中是一致的。对 这种小功率白光 LED来说，既要照顾光通量，又要考虑光效，故一般选择在 IF=20mA下工作。早期Nakamura等人已指出，InGaN/AIGaN DH 蓝光LED 的光输出功率随IF增加呈亚线性增加。我们认为，引起白光效随 IF增加逐渐 降低的因素是多方面的。首先，蓝光InGaN芯片的发光效率随IF增加而逐渐降 低的因

24、素是多方面的。首先，蓝光InGaN芯片的发光效率随IF增加而逐渐下降；第二，随着IF增加，P-N结温快速升高，结温和环境温度上升，对半导体蓝光 芯片和荧光粉的发光将产生严重的温度猝灭；第三，由于在白光 LED中发生蓝 光一黄光光转换过程，产生光吸收的辐射传递，不仅使白光光谱中的蓝芯片的 EL的发射光谱形状和发射峰发生变化，而且蓝光效率下降在荧光体的光效下降 和光衰程度似乎比InGaN蓝芯片更快。实际上是荧光体的发光效率受蓝芯片下 降的 诛连”和强烈的制约。4、结束语 综上所述，采用蓝光 LED芯片和荧光 体有机结合是可以成功地开发出 8000-4000K不同色温段，显色指数高，色品质 优良，符

25、合照明光源 CIE严格标准要求的白光LED。制作的白光LED的色容 差可以达到很小。8000K、6400K、5000K和4000K四种色温的白光 LED的发 射光谱、色品坐标、显色性等光色特性与工作条件密切相关。随着白光 LED的 正向电流增加，色品坐标 X和Y值逐渐减小，而相关色温逐步增大，致使色漂 移；而光通量呈亚线性增加，光效却逐渐下降。由于在白光 LED中发生光转换 过程，产生光吸收的辐射传递，致使白光中 InGaN芯片的蓝色EL光谱的形状 和发射峰发生变化。白光LED的上述特性与InGaN蓝光LED芯片性能密切相 关，在很大程度上受其制约。的度量色度图明度色调和饱和度称为颜色视觉三特性明度就是明亮的程度色调是由波长决定的色别如光的色调是红色光的色调是黄色光的色调是绿色等等饱和度就是纯度没有混入白色的窄带单色在视觉上就是高饱和度的颜色光谱所个色度图用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色即用三种基色相加的比例来表示某一颜色并可写成方程式式中代表某一种颜色是红绿蓝三基色是每种颜色的比例系数它们的和等于即是指匹配即在视觉上颜色相同如某一蓝绿色的比例加以规定因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置色度图中轴色度坐标相当于红基色的比例轴色度坐标相当于绿基色的比例图中没有轴色度坐标即蓝基色所占的比例因为比例系数的坐标值可以推算出来即一附图国际照委会