大多數(shù)使用LED的照明工程師了解委員會(huì)國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）1931 x，y色彩空間（或CIE色彩空間）如何用作表征白色LED的基礎(chǔ)。純色或白色LED的輸出可以通過(guò)圖中x和y坐標(biāo)的顏色（色調(diào)）和飽和度（純度）來(lái)定義。

然而，很少有工程師理解為什么CIE色彩空間與LED的分析工具一樣好用。部分原因是自然日光被用作LED輸出的基準(zhǔn)。這是因?yàn)樘?yáng)被認(rèn)為是一個(gè)完美的照明器（我們的眼睛已經(jīng)完美演化）是一個(gè)黑體輻射器，可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)發(fā)光。在照明技術(shù)中獨(dú)一無(wú)二的是，與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換熒光粉結(jié)合的純色LED是近乎理想的人造光源，因?yàn)樗鼈兡軌蛎芮心７绿?yáng)的光譜功率分布（SPD），同時(shí)限制能量發(fā)射到可見(jiàn)光譜。

黑體輻射器的輸出可以在CIE顏色空間上以軌跡的形式繪制，作為L(zhǎng)ED的顏色相關(guān)溫度（CCT）的參考。 CCT是表征LED的重要參數(shù)，并允許制造商提供一系列白光設(shè)備以適應(yīng)多種應(yīng)用。

本文著眼于CIE色彩空間的起源 - 很久以前就想到了這個(gè)想法LED適用于主流照明 - 并解釋了它如何用于輔助現(xiàn)代LED的開(kāi)發(fā)和表征。

Nature的黑體輻射器

在人類發(fā)現(xiàn)人造光之前，唯一的來(lái)源照明是太陽(yáng)。數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化使得眼睛能夠在陽(yáng)光下進(jìn)行優(yōu)化，人類自然會(huì)將這種光與舒適性和安全性聯(lián)系起來(lái)。

太陽(yáng)是（近似）黑色的身體散熱器，由于熱過(guò)程。光被定義為眼睛可見(jiàn)的電磁輻射。在太陽(yáng)下，這種電磁輻射的主要來(lái)源是由恒星核心中的聚變熱能激發(fā)的原子。

這種激發(fā)是高度隨機(jī)的，但在宏觀尺度上，黑體的光發(fā)射可以使用普朗克定律精確建模。該定律描述了黑體在一定溫度下在熱平衡狀態(tài)下發(fā)出的電磁輻射。對(duì)于不同溫度的黑體，在給定波長(zhǎng)（包括非可見(jiàn)光譜中的那些，如紅外和紫外線）發(fā)射的能量會(huì)發(fā)生變化;例如，在較低溫度下，較長(zhǎng)（較紅）的波長(zhǎng)占主導(dǎo)地位，黑體發(fā)出暗紅色。溫暖的黑體在更短（更藍(lán)）的波長(zhǎng)下發(fā)出更多的能量，顏色范圍從亮黃色到藍(lán)白色，因?yàn)樗鼈冏兊酶鼰帷?/p>

黑體的SPD圖表示作為波長(zhǎng)函數(shù)的輻射度或光度量的濃度，例如來(lái)自光源的輻射能量或輻射通量。太陽(yáng)表面的溫度約為5250 K，它發(fā)出中溫恒星特有的黃白色，在可見(jiàn)光部分有峰值發(fā)射（也許不足為奇地考慮到太陽(yáng)如何影響眼睛的進(jìn)化）。光譜。圖1顯示了各種黑體的SPD - 包括以5000 K發(fā)射的太陽(yáng)的模擬 - 覆蓋在電磁波譜的可見(jiàn)部分。

圖1：選定溫度下黑體散熱器的光譜功率分布。

（請(qǐng)注意，特別是散射藍(lán)光的大氣會(huì)改變太陽(yáng)在地球表面的顏色。當(dāng)太陽(yáng)在頭頂上時(shí)，它的光線穿過(guò)較少的大氣層，因此看起來(lái)更“自然”（即黃色 - 例如，在晚上，光線穿過(guò)較厚的大氣層，因此在藍(lán)色波長(zhǎng)被更大程度地散射時(shí)顯得更紅。）

CIE色彩空間

CIE色彩空間源于威廉·大衛(wèi)·賴特和約翰·吉爾德在20世紀(jì)20年代后期進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)。該圖提供了可見(jiàn)電磁光譜中物理純色與人類色覺(jué)中生理感知色之間的第一個(gè)定義的定量鏈接。

眼睛不能同等地檢測(cè)所有顏色。例如，視網(wǎng)膜中的顏色感應(yīng)錐對(duì)綠光最敏感。這些特殊細(xì)胞的靈敏度迅速向光譜的藍(lán)色（和紅色）部分傾斜。例如，錐體對(duì)472 nm藍(lán)光的敏感度僅為555 nm綠光的10％。

CIE色彩空間的特別新穎之處在于它使用了一組色彩匹配這些函數(shù)是“標(biāo)準(zhǔn)”人類觀察者的色彩響應(yīng)的數(shù)字描述。顏色匹配功能將物理產(chǎn)生的光譜與特定的三刺激值相關(guān)聯(lián) - 因此考慮到眼睛光接收器的不同靈敏度。

CIE顏色空間允許使用兩個(gè)派生參數(shù)x和y繪制顏色的色度（顏色質(zhì)量的指示，與發(fā)光無(wú)關(guān)）。并非顏色空間中的所有x和y值都對(duì)應(yīng)于可見(jiàn)顏色。相反，所有可見(jiàn)顏色都包含在由“光譜軌跡”和“紫色線”定義的包絡(luò)內(nèi)。光譜軌跡是繪制在整個(gè)可見(jiàn)光譜中包括單個(gè)波長(zhǎng)的顏色的x，y值的曲線。軌跡上的數(shù)字對(duì)應(yīng)于顏色的波長(zhǎng)。紫色線 - 由紅色和藍(lán)色混合構(gòu)成的直線軌跡 - 形成CIE色彩空間的下邊界（圖2）。

圖2：顯示普朗克軌跡位置的CIE顏色空間。

顏色的色調(diào)由光譜上的基本顏色決定（例如，紅色，橙色，黃色，綠色，藍(lán)色或紫色）。包括一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)的顏色的飽和度總是大于相同色調(diào)的光但具有更寬的光譜帶寬。光譜帶寬越大（飽和度越低）x，y色度坐標(biāo)越遠(yuǎn)離光譜軌跡。在圖表的中心區(qū)域，顏色被去飽和并呈現(xiàn)出柔和的色調(diào)。移動(dòng)到圖表的中心足夠遠(yuǎn)，顏色變?yōu)榛野咨桶咨?。白色通常被描述為沒(méi)有顏色，并且由許多波長(zhǎng)組成。在CIE顏色空間中最接近“純”白色的點(diǎn)是等于SPD在可見(jiàn)光譜中的每個(gè)波長(zhǎng)處表現(xiàn)出相等能量的點(diǎn)。這一點(diǎn)有時(shí)在CIE色彩空間上標(biāo)記為“E”，但對(duì)LED制造商的興趣微乎其微，因?yàn)樵摷夹g(shù)不易于制造等能量光源。

另一個(gè)關(guān)鍵特征是通常包括在CIE顏色空間中的是普朗克（或黑體）軌跡。這些是各種溫度的黑體的色度坐標(biāo)圖，從1000 K（深紅色）到10,000 K以上（藍(lán)白色），見(jiàn)上圖。

表征LED

在考慮照明應(yīng)用之前，LED在指標(biāo)和標(biāo)牌等應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。紅色，綠色和藍(lán)色設(shè)備繼續(xù)以數(shù)十億美元制造，LED制造商與其他照明制造商一起使用CIE色彩空間來(lái)表征他們的產(chǎn)品。

Hue（由LED的主波長(zhǎng)決定） ）和飽和度可以使用圖表明確定義。 LED的色調(diào)被定義為光譜軌跡上的波長(zhǎng)與從等能量點(diǎn)（E）到LED的x，y坐標(biāo)的線相交。飽和度由LED沿該線的x，y坐標(biāo)的位置確定。如果x，y坐標(biāo)與E重合，則純度為0.隨著LED的坐標(biāo)沿著線向光譜軌跡移動(dòng)，純度增加，在軌跡處達(dá)到1（圖3）。

圖3：CIE色彩空間可用于明確定義LED和其他光源的色調(diào)和飽和度。 （由劍橋大學(xué)出版社提供） [1]

對(duì)于純色LED來(lái)說(shuō)，這里我們關(guān)注的是用于照明應(yīng)用的白色設(shè)備。 CIE顏色空間可用于指示紅色，綠色和藍(lán)色（RGB）LED組合可產(chǎn)生的顏色范圍（或“色域”）。仔細(xì)混合光是產(chǎn)生“白色”LED的一種方法。 RGB組合的可能x和y坐標(biāo)范圍將落在三角形中，其頂點(diǎn)是三個(gè)光源的x，y坐標(biāo)（請(qǐng)參閱TechZone文章“白光LED的第三種方法”）。

然而，今天用于照明應(yīng)用的大多數(shù)商用白光LED將皇家藍(lán)LED與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉結(jié)合在一起。大多數(shù)LED的光子被磷光體吸收，并且通過(guò)稱為斯托克斯位移的過(guò)程，在光譜的黃色和紅色部分重新發(fā)射。剩余的藍(lán)色光子不受影響地發(fā)射，并與黃色和紅色光組合產(chǎn)生白色（參見(jiàn)TechZone文章“更白，更亮的LED”）。

圖4顯示了OSRAM OSLON SSL的相對(duì)光譜發(fā)射白光LED（該芯片在350 mA/2.95 V下的功效為106 lm/W）。請(qǐng)注意，藍(lán)色區(qū)域出現(xiàn)大峰值（LED的直接貢獻(xiàn)），熒光粉產(chǎn)生黃色和紅色區(qū)域的駝峰。

圖4：來(lái)自O(shè)SRAM OSLON SSL白光LED的光譜功率分布。虛線鐘形曲線是人眼靈敏度函數(shù)。

完美的人造光

盡管CIE色彩空間比商用LED早幾十年，但純色LED與波長(zhǎng)結(jié)合的事實(shí)移動(dòng)熒光粉是一種近乎理想的人造光源，用于匹配黑體輻射體的SPD，并限制能量發(fā)射到可見(jiàn)光譜，使該圖成為開(kāi)發(fā)和表征白光LED的理想機(jī)制。

競(jìng)爭(zhēng)與傳統(tǒng)照明一樣，LED制造商努力生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。顯色指數(shù)（CRI）和色彩相關(guān)溫度（CCT）定義了設(shè)備的光質(zhì)量。

CRI是光源忠實(shí)再現(xiàn)各種物體顏色的能力的定量測(cè)量。理想的或自然的光源。 Sunlight用作基準(zhǔn)測(cè)試，CRI為100（參見(jiàn)TechZone文章“什么是顯色指數(shù)及其重要性？”）。當(dāng)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范圍為80到85.

雖然沒(méi)有定義CRI在CIE色彩空間中，CCT絕對(duì)是。 CCT被定義為“普朗克[或黑體]輻射體的溫度，其感知顏色與在相同亮度和特定觀察條件下的給定刺激的顏色最接近?！?/p>

通過(guò)略微改變熒光粉化學(xué)，制造商可以改變他們的白色LED的CCT。圖5顯示了具有不同CCT的白色LED的光譜如何變化。此示例顯示了Cree XLamp XM-L2系列的LED。

圖5：不同CCT的Cree白光LED的相對(duì)光譜發(fā)射。

請(qǐng)注意，“較暖”的白色LED實(shí)際上具有較低的CCT。這些設(shè)備的輸出包含更多的紅色波長(zhǎng)，即使人類的感知要求顏色是溫暖的，它也會(huì)將輻射移向普朗克軌跡的較冷端。 “酷”白色LED發(fā)出更多藍(lán)色，并且輻射被歸類為更熱，盡管人類還有另一種感覺(jué)，即確定光線更涼爽。制造商生產(chǎn)白色LED，其輸出分為“暖白”（2600至3700 K CCT），“中性白”（3700至5000 K CCT）和“冷白”（5000至8300 K）。

這些產(chǎn)品系列適合不同的應(yīng)用。例如，消費(fèi)者更喜歡在家中使用暖白色設(shè)備，而企業(yè)發(fā)現(xiàn)員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，制造商將具有類似CIE顏色坐標(biāo)的設(shè)備分組為“箱”。分組由CIE顏色空間上的小四邊形確定，這些四邊形的垂直集具有相同的CCT（參見(jiàn)TechZone文章“定義白色LED的顏色特征”） “）。

設(shè)計(jì)出色的LED

如果制造商可以提供發(fā)出高質(zhì)量光源的產(chǎn)品，消費(fèi)者愿意用固態(tài)照明取代壽命短，效率低的傳統(tǒng)光源。 CIE色彩空間已被證明是LED制造商開(kāi)發(fā)此類產(chǎn)品的寶貴工具，因?yàn)樗紤]了眼睛對(duì)不同顏色光線的不同敏感度，并以Planckian軌跡形式定義了人工照明的關(guān)鍵參考，定義了溫度升高的黑體。