Исследование светодиодных источников света на принципе RGB смешения с высокими индексами цветопередачи

функциональные возможности источников света, позволяя создавать оптимальную для жизнедеятельности световую среду [1, 2]. Степень управляемости может быть разной: от варьирования во времени в определенном диапазоне цветовой температуры ( Т с ) до воспроизведения широкой гаммы естественных цветов, включающей миллионы цветовых оттенков. Это выводит на первый план проблему качества цветопередачи. По современным требованиям для высококлассного освещения общий индекс цветопередачи R a ( CRI) должен быть не менее 95, а специальные индексы цветопередачи для насыщенных цветов R 9 –R 14 , по крайней мере, не ниже 85 [3].

Рассмотрим подробнее особенности работы СД источников света на принципе RGB-смешения, допускающих динамическое управление по спектру (цвету) излучения, а также способы изменения их спектрально-цветовых характеристик.

Объекты и методика исследования. В работе исследовался СД источник света на принципе RGB-смешения, состоящий из белого люминофорного СД фирмы Cree, серии XQB, с цветовой температурой (Тс) 2800 К, корректируемого добавлением излучения трех монохроматических СД фирмы Cree, серии XQE, с длинами волн излучения 520 нм, 620 нм и 473 нм. Был проведен комплекс спектрорадиометрических и колориметрических исследований. Указанные измерения, а также вычисления внешнего квантового выхода, световой эффективности и ватт - амперных характеристик, пиковой длины волны Xpeak, доминантной длины волны Xdom, ширины спектра по уровню половины интенсивности Δλ0.5, а также Тс, Ra и R1-R14, проводились на установке «OL770-LED» фирмы Optronic Laboratories (рис. 1), с использованием встроенного программного обеспечения в соответствии с Международными стандартами [4]. Светодиод в корпусе помещался в интегрирующую сферу. На светодиод подавалось напряжение от программируемого прецизионного источника питания «OL

700-10-2000» в прямом направлении. Излучение регистрировалось мультиканальным спектрора-диометром «OL 770 VIS/NIR». Вся измерительная установка полностью компьютеризирована. Спектрорадиометр «OL 770 VIS/NIR» со встроенной 100 µм щелью обеспечивает регистрацию длин волн излучения светодиодов в диапазоне 380-1100 нм с точностью ±0,1нм.

Рис. 1. Комплекс для исследования спектрорадиометрических и колориметрических параметров «OL770-LED» фирмы Optronic Laboratories

Экспериментальная часть. Вопросы оптимизации цветосмешения для получения белого света с заданной цветовой температурой и оптимальным компромиссом в соотношении «световая отдача – индекс цветопередачи» применительно к СД подробно исследовались в последнее десятилетие [5-9]. Один из главных полученных результатов кратко заключается в следующем: при типичной полуширине спектров полупроводниковых излучателей Δλ 0.5 ~ 15-40 нм получение белого света с высоким значением общего индекса цветопередачи R a > 95 требует сложения излучения 4-5-ти полупроводниковых излучателей с пиковыми длинами волн λ peak , относительно равномерно распределенных в видимом диапазоне. Дальнейшее, более плотное заполнение спектра излучения абсолютно черного тела (АЧТ) за счет увеличения числа СД, мало что добавляет к значению R a , но ведет к заметным потерям световой отдачи и усложнению системы. В то же время, даже небольшое отклонение λ peak отдельных СД от оптимальных значений может приводить к резкому падению отдельных индексов цветопередачи, особенно R 9 -R 14 , относящихся к насыщенным цветам. Использование для цветосмешения люминофорных СД с более широким спектром Δλ 0.5 ~ 70-100 нм, естественно, облегчает проблему.

В ходе эксперимента была поставлена задача: варьируя спектральные доли мощности различных СД, найти полный спектр излучения комбинированного источника света и провести его анализ, то есть, определение цветовых координат спектра x,y, коррелированной цветовой температуры Tc, общего Ra и специальных индексов цветопередачи R1-R14, а также световой отдачи лм/Вт.

Экспериментальные исследования показывают, что для синтеза высококачественного белого света в широком диапазоне Т с достаточно использования белого люминофорного СД, с проведением коррекции при помощи трех цветных СД. Причем этот способ позволяет подбирать оптимальные условия для получения света с требуемым набором Т с . Существует возможность влияния на частные индексы цветопередачи, что делает такие приборы подходящими для применения в качестве источников контрастного освещения для лучшей визуализации объекта. Например, в хирургии и диагностике для улучшения идентификации тканей различной морфологической структуры, а также для четкого различия нормальных и патологических тканей во время операции. Исходные спектральные распределения светодиодов использованных в мультичиповом полихромном СД модуле показаны на рис. 2. На рис. 3 отображен разброс R a ( CRI ) и R 1 -R 14 для белых люминофорных СД с одной Т с .

Рис. 2. Спектральное распределение составляющих, использованных в мультичиповом полихромном СД модуле

Рис. 3. Разброс общего ( CRI ) и специальных ( R 1 -R 14 ) индексов цветопередачи для белых люминофорных СД с одной Т с

Экспериментальные данные, отраженные на рис. 4-7, иллюстрируют влияние спектральных составляющих излучения на R a ( CRI ) и R 1 -R 14 . Хорошо видно, что незначительное изменение доли хотя бы одной составляющей излучения в общем спектре может значительно изменить R a в пределах 69-97. Особенно важно, что для специальных индексов также наблюдаются значительные перепады. Например, на R 9 с 50 до 93, а на R 13 с 70 до 98. Не смотря на то, что значения R 9 -R 14 не учитываются при расчете R a , они играют существенную роль при воспроизведении цвета биологических тканей. Данные, представленные на графиках, обобщены в табл. 1.

Выводы: исследованы способы цветос-мешения в светодиодных источниках света на основе белых люминофорных СД с коррекцией тремя цветными - монохроматическими, позволяющие синтезировать белый свет с высокими общим и частными индексами цветопередачи. Подобные источники света представляют большой интерес, как для общего освещения, так и для ряда специальных применений: архитектурно-художественной подсветки, освещения операционных, микроскопии, фототерапии, коррекции психофизиологического состояния человека, агротехники и т.д. Рассмотрено влияние изменения соотношений составляющих спектра излучения, оказываемое на выходные характеристики таких источников. Приведены варианты оптимизации световых характеристик.

Таблица 1. Цветовые характеристики синтезируемого света

T c , K	CRI	R 9	R 12	R 13	P r , %	P g , %	P b , %	P w , %	lm/W
4000	91,38	91,65	78,69	89,66	8	3	8	81	115
4000	88,53	50,76	76,03	98,67	0	5	8	87	110
4000	92,77	74,66	77,2	96,8	4	7	7	82	114
5000	85,1	51,22	63,29	75,69	8	13	17	62	117
5000	85,1	93,39	70,1	87,87	4	8	14	74	111
6500	93,82	86,1	64,02	98,22	6	5	6	83	119
6500	83,39	13,27	54,39	84,9	0	0	3	97	119

Рис. 5. Общий ( CRI ) и специальные ( R 1 -R 14 ) индексы цветопередачи полихромного СД источника для нескольких цветовых температур

Рис. 6. Спектры полихромного СД источника для Т с = 6500 К

Рис. 7. Спектры полихромного СД источника для Т с = 4000 К