CIE色彩空间如何用于辅助LED的设计

大多数使用LED的照明工程师了解委员会国际照明委员会（CIE）1931 x，y色彩空间（或CIE色彩空间）如何用作表征白色LED的基础。纯色或白色LED的输出可以通过图中x和y坐标的颜色（色调）和饱和度（纯度）来定义。

然而，很少有工程师理解为什么CIE色彩空间与LED的分析工具一样好用。部分原因是自然日光被用作LED输出的基准。这是因为太阳被认为是一个完美的照明器（我们的眼睛已经完美演化）是一个黑体辐射器，可以在很宽的带宽范围内发光。在照明技术中独一无二的是，与波长转换荧光粉结合的纯色LED是近乎理想的人造光源，因为它们能够密切模仿太阳的光谱功率分布（SPD），同时限制能量发射到可见光谱。

黑体辐射器的输出可以在CIE颜色空间上以轨迹的形式绘制，作为LED的颜色相关温度（CCT）的参考。 CCT是表征LED的重要参数，并允许制造商提供一系列白光设备以适应多种应用。

本文着眼于CIE色彩空间的起源 - 很久以前就想到了这个想法LED适用于主流照明 - 并解释了它如何用于辅助现代LED的开发和表征。

Nature的黑体辐射器

在人类发现人造光之前，唯一的来源照明是太阳。数百万年的进化使得眼睛能够在阳光下进行优化，人类自然会将这种光与舒适性和安全性联系起来。

太阳是（近似）黑色的身体散热器，由于热过程。光被定义为眼睛可见的电磁辐射。在太阳下，这种电磁辐射的主要来源是由恒星核心中的聚变热能激发的原子。

这种激发是高度随机的，但在宏观尺度上，黑体的光发射可以使用普朗克定律精确建模。该定律描述了黑体在一定温度下在热平衡状态下发出的电磁辐射。对于不同温度的黑体，在给定波长（包括非可见光谱中的那些，如红外和紫外线）发射的能量会发生变化;例如，在较低温度下，较长（较红）的波长占主导地位，黑体发出暗红色。温暖的黑体在更短（更蓝）的波长下发出更多的能量，颜色范围从亮黄色到蓝白色，因为它们变得更热。

黑体的SPD图表示作为波长函数的辐射度或光度量的浓度，例如来自光源的辐射能量或辐射通量。太阳表面的温度约为5250 K，它发出中温恒星特有的黄白色，在可见光部分有峰值发射（也许不足为奇地考虑到太阳如何影响眼睛的进化）。光谱。图1显示了各种黑体的SPD - 包括以5000 K发射的太阳的模拟 - 覆盖在电磁波谱的可见部分。

图1：选定温度下黑体散热器的光谱功率分布。

（请注意，特别是散射蓝光的大气会改变太阳在地球表面的颜色。当太阳在头顶上时，它的光线穿过较少的大气层，因此看起来更“自然”（即黄色 - 例如，在晚上，光线穿过较厚的大气层，因此在蓝色波长被更大程度地散射时显得更红。）

CIE色彩空间

CIE色彩空间源于威廉·大卫·赖特和约翰·吉尔德在20世纪20年代后期进行的一系列实验。该图提供了可见电磁光谱中物理纯色与人类色觉中生理感知色之间的第一个定义的定量链接。

眼睛不能同等地检测所有颜色。例如，视网膜中的颜色感应锥对绿光最敏感。这些特殊细胞的灵敏度迅速向光谱的蓝色（和红色）部分倾斜。例如，锥体对472 nm蓝光的敏感度仅为555 nm绿光的10％。

CIE色彩空间的特别新颖之处在于它使用了一组色彩匹配这些函数是“标准”人类观察者的色彩响应的数字描述。颜色匹配功能将物理产生的光谱与特定的三刺激值相关联 - 因此考虑到眼睛光接收器的不同灵敏度。

CIE颜色空间允许使用两个派生参数x和y绘制颜色的色度（颜色质量的指示，与发光无关）。并非颜色空间中的所有x和y值都对应于可见颜色。相反，所有可见颜色都包含在由“光谱轨迹”和“紫色线”定义的包络内。光谱轨迹是绘制在整个可见光谱中包括单个波长的颜色的x，y值的曲线。轨迹上的数字对应于颜色的波长。紫色线 - 由红色和蓝色混合构成的直线轨迹 - 形成CIE色彩空间的下边界（图2）。

图2：显示普朗克轨迹位置的CIE颜色空间。

颜色的色调由光谱上的基本颜色决定（例如，红色，橙色，黄色，绿色，蓝色或紫色）。包括一个或几个波长的颜色的饱和度总是大于相同色调的光但具有更宽的光谱带宽。光谱带宽越大（饱和度越低）x，y色度坐标越远离光谱轨迹。在图表的中心区域，颜色被去饱和并呈现出柔和的色调。移动到图表的中心足够远，颜色变为灰白色和白色。白色通常被描述为没有颜色，并且由许多波长组成。在CIE颜色空间中最接近“纯”白色的点是等于SPD在可见光谱中的每个波长处表现出相等能量的点。这一点有时在CIE色彩空间上标记为“E”，但对LED制造商的兴趣微乎其微，因为该技术不易于制造等能量光源。

另一个关键特征是通常包括在CIE颜色空间中的是普朗克（或黑体）轨迹。这些是各种温度的黑体的色度坐标图，从1000 K（深红色）到10,000 K以上（蓝白色），见上图。

表征LED

在考虑照明应用之前，LED在指标和标牌等应用中越来越受欢迎。红色，绿色和蓝色设备继续以数十亿美元制造，LED制造商与其他照明制造商一起使用CIE色彩空间来表征他们的产品。

Hue（由LED的主波长决定） ）和饱和度可以使用图表明确定义。 LED的色调被定义为光谱轨迹上的波长与从等能量点（E）到LED的x，y坐标的线相交。饱和度由LED沿该线的x，y坐标的位置确定。如果x，y坐标与E重合，则纯度为0.随着LED的坐标沿着线向光谱轨迹移动，纯度增加，在轨迹处达到1（图3）。

图3：CIE色彩空间可用于明确定义LED和其他光源的色调和饱和度。 （由剑桥大学出版社提供） [1]

对于纯色LED来说，这里我们关注的是用于照明应用的白色设备。 CIE颜色空间可用于指示红色，绿色和蓝色（RGB）LED组合可产生的颜色范围（或“色域”）。仔细混合光是产生“白色”LED的一种方法。 RGB组合的可能x和y坐标范围将落在三角形中，其顶点是三个光源的x，y坐标（请参阅TechZone文章“白光LED的第三种方法”）。

然而，今天用于照明应用的大多数商用白光LED将皇家蓝LED与钇铝石榴石（YAG）荧光粉结合在一起。大多数LED的光子被磷光体吸收，并且通过称为斯托克斯位移的过程，在光谱的黄色和红色部分重新发射。剩余的蓝色光子不受影响地发射，并与黄色和红色光组合产生白色（参见TechZone文章“更白，更亮的LED”）。

图4显示了OSRAM OSLON SSL的相对光谱发射白光LED（该芯片在350 mA/2.95 V下的功效为106 lm/W）。请注意，蓝色区域出现大峰值（LED的直接贡献），荧光粉产生黄色和红色区域的驼峰。

图4：来自OSRAM OSLON SSL白光LED的光谱功率分布。虚线钟形曲线是人眼灵敏度函数。

完美的人造光

尽管CIE色彩空间比商用LED早几十年，但纯色LED与波长结合的事实移动荧光粉是一种近乎理想的人造光源，用于匹配黑体辐射体的SPD，并限制能量发射到可见光谱，使该图成为开发和表征白光LED的理想机制。

竞争与传统照明一样，LED制造商努力生产优质产品。显色指数（CRI）和色彩相关温度（CCT）定义了设备的光质量。

CRI是光源忠实再现各种物体颜色的能力的定量测量。理想的或自然的光源。 Sunlight用作基准测试，CRI为100（参见TechZone文章“什么是显色指数及其重要性？”）。当代LED如Cree的XLamp XM-L2芯片（153 lm/W，700 mA/2.9 V）和OSRAM的OSLON SSL系列的CRI范围为80到85.

虽然没有定义CRI在CIE色彩空间中，CCT绝对是。 CCT被定义为“普朗克[或黑体]辐射体的温度，其感知颜色与在相同亮度和特定观察条件下的给定刺激的颜色最接近。”

通过略微改变荧光粉化学，制造商可以改变他们的白色LED的CCT。图5显示了具有不同CCT的白色LED的光谱如何变化。此示例显示了Cree XLamp XM-L2系列的LED。

图5：不同CCT的Cree白光LED的相对光谱发射。

请注意，“较暖”的白色LED实际上具有较低的CCT。这些设备的输出包含更多的红色波长，即使人类的感知要求颜色是温暖的，它也会将辐射移向普朗克轨迹的较冷端。 “酷”白色LED发出更多蓝色，并且辐射被归类为更热，尽管人类还有另一种感觉，即确定光线更凉爽。制造商生产白色LED，其输出分为“暖白”（2600至3700 K CCT），“中性白”（3700至5000 K CCT）和“冷白”（5000至8300 K）。

这些产品系列适合不同的应用。例如，消费者更喜欢在家中使用暖白色设备，而企业发现员工在冷白色照明下更有效率。

不可能可靠地制造完全相同CCT的LED。相反，制造商将具有类似CIE颜色坐标的设备分组为“箱”。分组由CIE颜色空间上的小四边形确定，这些四边形的垂直集具有相同的CCT（参见TechZone文章“定义白色LED的颜色特征”） “）。

设计出色的LED

如果制造商可以提供发出高质量光源的产品，消费者愿意用固态照明取代寿命短，效率低的传统光源。 CIE色彩空间已被证明是LED制造商开发此类产品的宝贵工具，因为它考虑了眼睛对不同颜色光线的不同敏感度，并以Planckian轨迹形式定义了人工照明的关键参考，定义了温度升高的黑体。