高演色LED照明技術發展趨勢

LED照明產品的演色性，在照明質量的前提下成為LED光源產品規劃與技術突破項目。從太陽光、白熾燈、水銀燈、白光LED的波長表現對照可知，日常光源非「能夠亮」就好，還需考慮光源亮度、照物的色彩還原，理想的人造光源必須以太陽光日照感覺為依規。以藍光LED混合YAG熒光粉的白色LED，存有綠光能隙(Green Gap)對綠色演色性較差及缺乏紅色反應問題，因此在CRI色坐標上呈現R9=0檢測結果。演色性直接影響照物在燈光下原始顏色的還原能力，在博物館、表演廳、百貨公司、藝廊等對色彩要求高的場所，演色性為光源要求的重要項目。LED若成為取代各類型光源及白熾燈、高耗能光源，需具備高演色性。

圖1、常見LED混合白光方式，Source：拓產業研究所整理，2012/08

一. 照明產品為何需對于演色性具備要求?

LED照明產品的演色性在日趨要求照明質量的前提下，成為LED光源發展的下一個產品規劃與技術突破的重要項目。Energy Star在2011年5月所頒布的LED球泡型產品標準中，明定LED照明產品的演色指數(CRI)最低不能低于80，且對紅色顯色性必須大于零，這表示演色指數占照明光源質量相當重要的一環。

(一) 各類型光源波長與演色性分析

圖一及表一說明目前常用之各類型光源的演色表現與波長對應關系，圖一比較了太陽光、白熾燈、水銀燈、白光LED的波長表現，對照太陽光線后可清楚得知為何使用于日常生活中的光源并非「能夠亮」就好，還需要考慮光源亮度、照物的色彩還原等特性，其主因在于理想的人造光源須以太陽光日照感覺為依規。

圖2、各類型光源波長說明，ource：拓產業研究所整理，2012/08

圖一的黃色線條為太陽的波長及釋放能量，對照目前各類型光源，只有白熾燈(鎢絲燈)最符合太陽光源的波長分布狀況，由于白熾燈與鹵素燈的發光方式一致，因此無論是白熾燈或鹵素燈，其演色性都幾近太陽光的CRI=100。而其他種類的光源皆有演色性不佳的問題，如水銀燈的波長集中于530～570nm，因此其演色性平均小于30;而傳統以藍光LED混合YAG熒光粉制造的白色LED，原始波長集中于420～480nm，而綠色波段的480～520nm因缺乏，因此產生綠光能隙(Green Gap)問題對綠色演色性較差，且缺乏波長680nm以上的紅色光，因此在CRI色坐標上呈現R9=0的檢測結果。

演色性直接影響照物在燈光下原始顏色的還原能力，因此演色性決定光源的適用場所，尤其是在博物館、表演廳、百貨公司、藝廊等對色彩要求較高的場所，演色性成為光源要求的重要項目。因此LED為了成為全面性取代各類型光源及白熾燈、高耗能光源(如：鹵素燈)的取代品，在光源特性上除了須滿足熒光燈管特性外，還須符合白熾燈光源特性。本篇報告將從如何提高各LED光源演色性進行各類型技術分析。

表1、各類型光源的CRI值整理，Source：拓產業研究所整理，2012/08

(二) 波長與演色性關系說明

之所以白熾燈與鹵素燈在演色性上具有近100的表現，其中最主要的原因在于此兩種光源的發光方式及波長和太陽光線一樣，從可見光的低波段380nm，一直到高波段780nm具連續不間段性。此種不間段波長的光源表現，讓可見光波段中的各種顏色完全表現。

圖3、CIE色坐標說明，Source：CIE;拓產業研究所整理，2012/08

日常生活中常見的白色光線，由三原色-紅光、綠光與藍光組成，如圖二CIE色坐標所示，人類肉眼所視白光，其實在色坐標分布中僅為極狹窄區域，同時交會于紅色、藍色與綠色之中，且人類目視的所有色彩及色階均是由這3種顏色構成。由此可知道為何LED光源白光技術，或者是早期映像管時代的電視光源技術、投影機光源，在發光體設計上，皆采紅光、綠光與藍光組成方式，調配影像的變化及還原色彩原真實顏色。

圖4、色溫與紅綠藍光比重示意圖，Source：拓產業研究所整理，2012/08

T5熒光燈管的白光合成方式也是由三波長(紅光、綠光與藍光色域)熒光粉激發，因此相較于僅使用鹵粉做為熒光粉材料的T8燈管，使用三波長熒光粉的T5燈管CRI值較大于80，而T8燈管的CRI值則僅有65左右。

拓產業研究所(TRI)也可以從紅綠藍3種顏色的比例得知，光源下的色彩還原關系。在6500K的環境下，普遍缺乏對紅色的顯色性，因此幾乎所有光源在6500K的環境下，不含有紅色光波長，其光源顏色較冰冷，因此大于5500K的光源又稱其為冷白光;另一方面，當光源波長在3500K環境下，藍光的比例又縮減至微乎其微，而全部的光原色比重以紅加綠光為主，稱為暖白光。無論是冷白或暖白，色溫太高及太低對人類肉眼皆會造成不適感。

而LED在演色表現上較白熾燈差的主因在于，以藍色LED為基礎加上黃色熒光粉的白光合成方式，因在色彩表現上欠缺紅色及綠色，以致于顏色偏冷，對照物的紅色及綠色的色彩還原逼真度差，也因LED在照明應用上以期待取代白熾燈、節能燈為目標，因此在光質量特性上，必須以優于各類型光源為目標。

演色指數的計算標準采用CIE針對14個不同的低飽和度色塊(從 R1到R14)為基準，通常前9個為最主要色塊，R12～R14表光源對皮膚顏色反應，屬特殊應用光源指標，以CIE色塊的色度值與量測光源色塊的色度值比對后，求得各色塊的顏色反應比例表現，稱其演色值，最后再以算數平均方式求得最終的值，便是此種光源的演色指數。而R9則是項目中的一項，主要為對紅色反應。