论文(设计)調制三原色及白光LED混成標準光源D65之色溫研究.pdf
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1、淖甫仁大擘物理系光事题研究幸艮告制三原色及白光LED混成才票型光源D65之色温研究指溥教授:徐暹成博士擘生:魏子嵩中莘民IS九十六年十月言成擎的感言射指厚教授 徐迤成博士在事题研究及撰:W期的幺田心 指蹲舆愤助,教蹲我言午多求擘及研究的方法,在做瞬的日寺候赋予我 很大的空,使我自己思考的走向和方法,我擘曾到解决冏题 日寺必须考;t更多的幺田,以及封於的每一步鹰自亥如何去辅成。言射 言射老白币!接著感言射室擘房永鑫、仁傣在我遇到困寺给予我很大的落 助,提供我一些更卷深入的想法,以及封本文所给予的建典 不同的思考方向,本文更趣完善,由衷感言射!室的伙伴朝晖、俊揭和室冢多的擘房俯,不是在言果棠 上的
2、言持畲典切磋,日常生活的黑占黑占滴滴都给我莫大的落助。在此感春射 所有曾幺空给我落助的人,翡捅射你俨!最彳初堇符此事题研究献给最貌爱的父母,感你行整田心照雇直典日寺 日寺叮噂,或给予我莫大鼓勘和支持,我爱你俨!I摘要LED是未来照明市埸的趣势,其特性卷使用日寺数是、耗重量低等。但至今的樊展固熊光源在色温表现方面仍有才亟大的改善空。本篇研究目的使用数颗不同波是之LED混光,藉以羟生近似才票型照明 HD6 5色温6 504K和光高普分怖的混光光源。研究使用Ocea n Optics麻:商之光光高普倭及稹分球做卷量洌借,配合La bVIEW言十算CIE色度座才票,能,以数擘言十算求得胃瞬色温。最彳姿
3、以白光LED配合波是478 nm、535nm及655 nm的LED混和出色 温z6 26 9.7 K的光源,典才票型照明HD6 5色温之差卷3.6%。的混光方式以市售的LED即可逵成,未来谨一步可藉由薄膜言十,4十 封演色性言十遹用的滤光片,迤而攫得更接近自然色彩的光源。IIAbstractLED is the trend in the l ighting in the future.It ha s a dva nta ge of l ow power consumption a nd using for a l ong time.So fa r,the a dva nces of sol i
4、d l ight source stil l be improved in the col or tempera ture.In this study,we use the LEDs in different wa vel ength to produce the col or mixture l ight source which a pproxima te the col or tempera ture a nd the spectrum of CIE sta nda rd il l umina nt.In this work,we use the D6 5 a nd integra ti
5、ng sphere to investiga te the spectrum a nd ca l cul a te the chroma ticity coordina tes with La b VIEW a nd then ca l cul a te the col or tempera ture.At l a st,the col or tempera ture 6 26 9.7 K is produced by mixing white LED a nd RGB LED a nd the error is 3.6%.Il l目.I摘要.IIAbstra ct.Il l目密宗.IVBl目
6、密宗.VI表目爱亲.IX第一章前言.1第二章CIE才票型色度系统基磁理介貂.32-1 CIE1931系统的介貂.32-1.1配色.32-1.2光高普三刺激值.52-1.3 CIE 1931(R、G、B)色度座才票、色度ffil.62-1.4CIE 1931(X、Y、Z)色度座才票、色度ffil.72-3色温.102-3.1黑醴幅射.102-3.2分怖温度、色温l、相M色温.102-3.3色温的洌J量.112-3.4内插法求相色温.142-4才票型照明H D6 5.15第三章LED原理典介貂.17IV3-1 LED考要光原理.173-2白光LED技街概兄.183-3 LED失效模式.20第四章L
7、ED量测结果舆比敕.214-1 架横言十典器材.214-2 LED量洌果比敕.224-2.1改建重屋固定距离隹.224-2.2固定重屋改燮距离隹.294-2.3改建入射角度.354-2.4 混光.53第五章结果言寸典展望.60附全条(一).62附修条(二).63参考文献.64v圈目0 2-1 配色EI.4g|2-2 CIE1931-RGB光高普三刺激值.6KI2-3 CIE(r,g)色度KI.7 2-4 CIE1931-XYZ光高普三刺激值.8Bl 2-5 CIE(x,y)色度Bl.9BI2-6 黑it在CIE 1931色度B上的色度聿九品亦.11H2-7 CIE1931(x,y)等温.12B
8、I2-8 CIE196 0(u,v)色度 ffil.13ffi|2-9 CIE196 0(u,v)等温.1302-10 内插法求相色温.14M 2-11 CIE(x,y)色度KI上的日光色度聿九品亦和黑H聿九品亦.15BI 2-12 D6 5光高普圈.16ffl 3-1 LED内部架横.17H3-2 彝光二才亟it的基本结横.17BI 3-3 LED凌光檄制.18BI 3-4年票型光D6 5典白光LED相举寸光比敕圈.19ffl 4-1以稹分球逵到均匀混光的架情.22BI 4-2 白光LED固定距离隹10cm改燮重屋光高普KI.24VIffl 4-3名工光LED固定距离隹10cm改燮重屋光高普
9、EI.26KI 4-4 叠光LED固定距离隹10cm改燮重屋光高普8|.27ffl 4-5名亲光LED固定距离隹10cm改燮重屋光高普BI.28ffl 4-6名工光LED固定重屋改燮距离隹光高普ffil.30BI 4-7 盛光LED固定重屋改燮距离隹光高普圈.31ffl 4-8名亲光LED固定重屋改燮距离隹光高普!.32ffl 4-9 白光LED固定重屋改燮距离隹光高普BI.34ffi 4-10 改建距离隹舆接收靶.34ffl 4-11 改燮LED入射角度曾酷架横ffil.35|4-12名工光LED距离隹9cm,改建入射角度光高普KI.37ffl 4-13g工光LED距离隹11cm,改燮入射角
10、度光高普圈.38ffl 4-14g工光LED距离隹13cm改燮入射角度光高普圈.39ffl 4-15幺工光LED距离隹15cm,改建入射角度光高普BI.40ffl 4-16、幺亲光LED距离隹4cm,改燮入射角度光高普Bl.41ffl 4-17 光LED距离隹6 cm,改燮入射角度光高普圈.42圄4-18、幺亲光LED距离隹8cm,改建入射角度光高普ffil.43ffl 4-19 光LED距离隹10cm,改燮入射角度光高普圈.44M 4-20 叠光LED距离隹4cm,改燮入射角度光高普KI.45ffl 4-21 叠光LED距离隹6 cm,改燮入射角度光京普圃.46VIIM 4-22 叠光LED
11、距离隹8cm,改燮入射角度光高普ffil.47ffl 4-23 叠光LED距离隹10cm,改燮入射角度光高普圃.48ffl 4-24 以不同的甭度入射,可接收光照靶圉有所燮化.49ffl 4-25 白光LED距离隹5cm,改燮入射角度光高普KI.50ffl 4-26白光LED距离隹7 cm,改燮入射角度光高普ffl.50ffl 4-27 白光LED距离隹9cm,改燮入射角度光高普圈.51ffl 4-28 白光LED距离隹l l cm改燮入射角度光高普.51ffl 4-29 白光LED距离隹13cm,改燮入射角度光高普!.52ffl 4-30 白光LED距离隹15cm,改燮入射角度光高普圈.52
12、ffl 4-31 求得混光光高普色温流程ffil.54ffl 4-32 La bVIEW 斡换程式.55ffl 4-33年票型照明KD6 5近似光高普圈.55ffl 4-34 混光合A光京普Bl.57ffl 4-35 混光合B光高普ffil.58ffl 4-36 混光合C光高普SI.59VIII表目表1 白光LED技彳标概况.20表2 白光LED距离隹10cm,霜屋和霜流比率交.24表3幺工光LED距离隹10cm屋、霜流和中心波晨艮必系比敕.26表4 叠光LED距离隹10cm,霜屋、霜流和中心波晨比敕.27表5 光LED距离隹l Ocnr/t屋、霜流和中心波晨作初系比敕.28表6 缸光LED重
13、屋2.8V,距离隹和中心波晨居豺系比敕.30表7叠光LED重屋2.8V,距离隹和中心波晨居必系比敕.31表8 光LED重屋2.8V,距离隹和中心波晨居豺系比较.32表9 g工光LED距离隹9cm,角度和中心波是居豺系比敕.37表10 g工光LED距离隹11cm5角度和中心波晨居弘系比敕.38表11幺工光LED距离隹13cm5角度和中心波晨居必系比率交.39表12名工光LED距离隹15cm5首度和中心波晨居机系比率交.40表13、幺亲光LED距离隹4cm,角度和中心波晨居必系比敕.41表14、幺亲光LED距离隹6 cm,有度和中心波晨居豺系比敕.42表15名亲光LED距离隹8cm9角度和中心波是
14、M 4系比敕.43表16名亲光LED距离隹10cm5角度和中心波晨居弘系比较.44表17 叠光LED距离隹4cm,有度和中心波晨居机系比率交.45表18 叠光LED距离隹6 cm,A度和中心波晨居必系比率交.46IX表19 叠光LED距离隹8cm,角度和中心波晨居同保比事交.47表20 叠光LED距离隹10cm,A度和中心波晨M保比串交.48表21 混光合A,LED重屋、霜流值.56表22 混光合B,LED、重流值.58表23 混光合C,LED、重流值.59x第一章前言使用LED照明是未来照明市埸的趣势,LED典白氤燎泡及 日光燎相比,因其具有11稹小、耗重量小、彝热量低、毒命是(十葛 小日寺
15、以上)、反;1速度快件勺在IO,秒)、璟保等侵黑占,未来才亟可能取代 替代傅统照明,成卷照明使用的主流商品。白光是多彳重颜色混合而成的光,而LED彝出白光的方式主要可 分成罩晶型(Singl e Chip)及多晶型(Mul ti Chip)雨槿,罩晶型主 要可分卷叠光加上黄色螯光粉或紫外光LED加上盛、名工三色光 螯光粉来羟生白光;亦有不需使用螯光粉,而是直接利用多槿和多色 LED谨行混光,谨而彳嚷得白光效果,此槿方法即卷多晶型。依目前市埸来看,裂造白光多以罩晶型卷主,直接以盛光LED 加上螯光粉裂成白光LED,虽隹然裂作容易及成本低,不谩垣J皆段仍 有相技彳后辘黑占未能突破,包括亮度和色度不
16、佳雨健I冏魅。至於色度 不足冏题即可分卷色彩亮度不均和演色性(col or rendering index)不 足雨方面。所以此槿方式所生羟的白光遐不足以愿用於一般照明光源 用途。至於直接利用数颗颜色相昊LED迤行混光,其有可色温靶m 敕大、演色性和彝光效益敕佳等僵黑占。本篇研究利用常兄的白光 LED,混以多颗不同波是之LED谨行混光,冒瞬中透谩软H Origin-1-分析混光光高普,或利用La bVIEW言十算CIE色度座才票,再藉由内插法 求得相色温。透谩混光光高普的比敕和色温的言十算,期望能混出有良 好色温表现的光源,加且近似才票型照明醴D6 5光高普分佛,暹而掩得更 接近自然光的色彩。
17、-2-第二章CIE年票型色度系统基磁理介貂2-1 CIE1931系统的介貂阈除照明委具曾(Interna tiona l Commission on Il l umina tion,麓耦 CIE)。此委具曾是一他有光、照明、颜色和色度空科擘领域的 阈除才瞿威戢。1931年,CIE 了 CIE 1931色度ffi|,之彳复,又根摞隙使用情况暹行了修音丁,形成了 CIE 1960色度KI和CIE 1976色度圈,但由於人俯是期使用的替II使然,迄今CIE 1931色度|仍然是使用 最潢泛的才票型。以下符彳定配色始,逐步介名召舆CIE 1931相的原理以及 CIE 1931色度座才票和色度ffil的
18、来由。211配色1931年CIE推;M的才票型觐洌J者之色感受是由言午多正常视受的人(条勺15至寸20人)多寸配色感受的平均。如BI2-1所示,以三原色光谨行配色,符视野(fiel d of view)分成雨半,其中一半以三原色光(Ro、Go、Bo)混色,而另外 一半卷罩波光的颜色。-3-、白色屏幕ffl 2-1配色卷了使白色屏幕的雨遏色彩相等,以三原色光加以混合,用 以配出光高普中各罩波光的色彩,如此所用的三原色光的数量即耦之卷 光高普三刺激值(spectra l tristimul es va l ues)5 Ji以R、G、B表示之。在颜色匹配中,富造三原色光的相封亮度比例卷1.0000:
19、4.5907:0.06 01日寺就能匹配出等能白光,所以CIE逗取道一比例作卷 名工、叠三原色的罩位量,即(Ro):(Go):(Bo)=1:1:1 a 管道日寺三原色的亮度值或不等,但CIE郤把每一原色的亮度值作卷一 健I罩位看待,所以色光加色法中名工、盛三原色光等比例混合结果 卷白光,即(Ro)+(Go)+(Bo)=(Wo)。R、G、B三刺激值和Ro、Go、Bo三原色的居歌系式如下:C=RRo+GGo+BBo(1)-4-C:代表匹配的色刺激Ro、Go、Bo:用来匹配色刺激的三原色R、G、B:匹配色刺激C所需的三原色数量,即卷三刺激值。2-1.2 光it三刺激值(spectral tristi
20、mules values)CIE在1931年日寺,W.D.Wright和J.Guil d以似 方法所作的上 述酷结果卷基磁,定羲卷才票型觐察者(CIE 1931 Sta nda rd Observer)。此才票型觐察者以三原色7 00nm(Ro)、546.l nm(Go)、435.8(Bo)的数量分别代表匹配等能光高普中各罩波晨刺激所需要的三刺激色 量,此三原色的色量就稠之卷光三刺激值(R、G、B)。(圃2-2)CIE1931RGB系统之所以用7 00nm,546.l nm和435.8nm作卷(Ro)、(Go)、(Bo)匹配的三原色的原因,是因7 7 00nm是可兄光高普的 幺工色末端,附近的
21、波晨稍微改燮日寺,其色相燮化非常小,而546.Inm 和435.8nm是雨值敕卷明累直的汞光春普的波晨,三者都很容易羟生出 来-5-ffl 2-2 CIE1931 RGB光高普三刺激值2-1.3 CIE 1931(R、G、B)色度座才票和色度SI(chromaticity、chromaticity diagram)通常我俯或不直接用三原色的数量(即光高普三刺激值R、G、B)来表示色彩,而是以R、G、B三原色各自在R+G+B量中的相封 比例表示之。R、G、B三原色各自在R+G+B幺息量中的相封比例及耦卷色度 座才票(r、g、b)。定羲r、g、b:r=R/(R+G+B)g=G/(R+G+B)(2)
22、b=B/(R+G+B)-6-因点;r+g+b=l 5所以只要用r和g即可表示一彦直色。聘任何色彩以色度座才票来表示的平面ffil即耦卷色度2-3)2-3 CIE1931(r g)色度圈2-1.4 CIE 1931(X、Y、Z)色度座吊票和色度ffil(chromaticity、chromaticity diagram)1931CIERGB真三原色表色系统,在愿用中十分不便,因此CIE推蒿了 一健I新的S除色度擘系1931CIE XYZ系统,以改 迤BI2-2中有负值存在的冏题,此系统又耦卷XYZIi除座才票制,它是 通谩封R、G、B三刺激值迤行座才票斡换完成的,而XYZ即耦卷才票型色 度觐察者
23、光高普三刺激值(圃2-4),其穗换层弘系:-7-X=0.49R+0.31G+0.201BY=0.17 6 97 R+0.81240G+0.0106 3B(3)Z=0.00R+0.01G+0.99B如同(R、G、B)色度座才票,通常我俯能,不直接X、Y、Z来表示,而是以X、Y、Z各自在X+Y+Z量中的相封比例表示之。X、Y、Z各自在X+Y+Z幺息量中的相封比例及耦卷色度座才票(x、y、z)。定羲x、y、z:x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)(4)z=Z/(X+Y+Z)因卷x+y+z=l,所以只要用x和y即可表示一彦直色。4寻任何色彩以色度座才票来表示的平面ffil即耦点z色度ffil(
24、ffl 2-5)0-8-Bl 2-5 CIE1391(x,y)色度圈在CIE(x,y)色度ffil上,每一健I黑占都代表一他色彩,即分的 名工原色(Xo)、Y分的原色(Yo)和Z分的叠原色(Zo)相加混合 彳友所羟生的混合色,所以有不同的光三刺激值(XYZ),其所混合 出的色彩就不同。-9-2-2 色温(color temperature)2-2.1(black body radiation)我凭定羲在任何温度下能多勺全部吸收任何波晨的幅射能的物醴底;黑醴(bl a ck body)5 跟摞 Prevost 的 Theory of Excha nges,最佳的幅 射吸收者,亦是最佳的幅射放射者
25、,我俯耦黑醴彝出的重磁幅射卷黑 醴幅射(bl a ck body ra dia tion)2-2.2分伟温度、色温、相M色温分怖温度(distribution tempera ture):常一待洌J光源和黑、11在某一 温度(k)所释放每一波晨的光高普幅射能量分怖成比例日寺,我俯耦此 一温度卷此光源的分傣温度。色温(col or tempera ture):常一待洌J光源和黑11具有相同的色度 座才票日寺(兄圃2-6),我俯耦此日寺的温度卷光源的色温。相昌也色温(correl a ted col or tempera ture)一般所指 的色温多点z相色温,因卷通常待测光源的色度座才票辗法典黑
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