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书名：高光色性能的白光LED光谱设计与封装优化
定价：138.0
ISBN：9787030557094
作者：罗小兵，张晶晶，谢斌
版次：1
出版时间：2018-01
内容提要：
本书从白光LED的光谱设计与封装出发，立足于解决当前高光色质量的白光LED设计与制造中存在的关键性难点。全书分为6章，分别是白光LED简介、高显色性能的白光LED光谱优化、针对人体生物安全性的LED光谱优化方法、考虑物体表面反射特性的节能光源光谱优化、高光学性能的白光LED光学建模和高光学性能的白光LED封装优化。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 背景与研究意义 1
1.2 白光LED光谱优化研究国内外现状 3
1.3 现有技术问题及解决的技术路线 9
第2章 面向高显色性的白光LED光谱优化方法 11
2.1 引言 11
2.2 光源显色性能评价方法 11
2.2.1 CRI显色性评价指数 11
2.2.2 CQS显色质量评价指数 12
2.3 同时考虑CRI指数和CQS指数的LED光谱优化方法 13
2.3.1 白光LED的光谱建模 13
2.3.2 基于惩罚函数的遗传优化算法 14
2.4 仿真结果及分析 17
2.5 本章小结 21
第3章 面向人体光生物安全的LED光谱优化方法 22
3.1 引言 22
3.2 照明中的光生物安全问题 22
3.2.1 蓝光危害问题 22
3.2.2 司辰节律问题 27
3.3 面向低蓝光危害的光谱优化 29
3.3.1 光谱建模 29
3.3.2 优化算法及结果分析 29
3.3.3 量子点模型和荧光粉模型的蓝光危害性能比较 35
3.3.4 量子点模型的光色参数关系研究 38
3.4 面向宽司辰节律因子调节范围的光谱优化 40
3.4.1 光谱优化方法及结果分析 40
3.4.2 宽司辰节律因子调节范围的白光LED封装设计 47
3.5 本章小结 54
第4章 考虑物体表面反射特性的节能光源光谱优化方法 55
4.1 引言 55
4.2 照明中物体表面反射率引起的光能浪费问题 55
4.3 节能效率评价方式 56
4.3.1 针对单色物体的光谱节能效率 57
4.3.2 针对多色物体的光谱节能效率 57
4.4 节能光谱优化方法 59
4.4.1 单色物体的节能光谱优化 59
4.4.2 多色物体的节能LED 光谱优化 63
4.5 本章小结 66
第5章 高光学性能的白光LED光学建模 67
5.1 引言 67
5.2 白光LED中荧光材料的精确光学建模方法 67
5.2.1 荧光材料基本光学参数 67
5.2.2 荧光材料光学参数测试理论及系统搭建 69
5.2.3 荧光材料光学参数测试与光学建模 80
5.3 白光LED封装体建模与分析 85
5.3.1 铜铟硫/硫化锌核壳结构量子点材料的制备与测量 85
5.3.2 典型量子点LED封装结构与模型设定 94
5.3.3 量子点白光LED光学建模与实验分析 99
5.3.4 量子点LED仿真结果的实验验证 102
5.4 本章小结 104
第6章 高光学性能的白光LED封装优化 106
6.1 引言 106
6.2 高光学效率的白光LED封装优化 106
6.2.1 白光LED封装次序对光热性能的影响研究 106
6.2.2 白光LED封装结构对光热性能的影响研究115
6.2.3 提高量子点薄膜光转化效率的封装优化119
6.3 高光学稳定性的白光LED封装优化 124
6.4 本章小结 137
参考文献 138
在线试读：
第1章 绪论
1.1 背景与研究意义
发光二极管(lightemitting diode，LED)是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体PN 结通过正向电流时，利用半导体材料中的电子和空穴发生带间跃迁辐射复合而发出光子的发光器件[1]。1997年，日本的Nakamura 等采用高亮度的蓝光LED芯片与黄色荧光粉(Y3A15O12∶Ce3+，YAG)相结合，成功制造出世界上第*只白光LED[2]，并于1998年作为商用照明光源推向市场，为实现白光LED在照明领域的普及应用奠定了基础。经过20 多年的快速发展，随着对PN 结结构[3-5]和工艺技术[6-8]的持续改进和创新，LED的光效得到极大的提升。2002年白光LED的发光效率刚超过20lm/W，2008年就达到了100lm/W，到2010年，大功率白光LED芯片光效突破了208lm/W[9]。在2014年3月27日，美国科锐(Cree)公司宣布白光功率型LED实验室发光光效(luminous efficacy，LE)达到303lm/W，再度树立LED行业里程碑[10]。
作为一种新型固态照明光源，与传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯光源相比，白光LED具有节能环保、体积小、寿命长、抗震动、瞬时启动等诸多优点[10]。传统的日光灯管中充有汞蒸汽，灯管破裂后汞会挥发到空气中，对身体健康带来极大的危害，大量的汞也会破坏环境。LED产品不含汞，对环境无污染。更重要的是，相比传统光源而言，白光LED具有更高的光效。如果全球50%的照明光源被LED取代，那么每年可节省照明电费1000亿美元，减少大气污染物排放3.5×108t[13]，对于节能减排、保护环境具有非常重要的意义。因此，白光LED被视为21 世纪的绿色照明光源[14-16]，受到各国政府和跨国公司极大的重视。为了推动LED产业的发展，美国提出了“国家半导体照明计划”，欧盟提出“彩虹计划”，韩国政府也斥资5 亿美元实施“GaN半导体发光计划”[17]。我国也提出了“国家半导体照明工程”，并于2009年推出了“十城万盏”半导体照明应用示范工程。目前，我国共有上海、西安等21个城市和北京、宝鸡等16 个城市分别被确认为第*批、第二批“十城万盏”示范城市。白光LED成为现代照明的发展趋势，已经越来越被广泛地应用于道路照明、背光光源、汽车照明、景观照明等各种照明领域，目前正在朝着室内照明等通用照明市场迈进[11,18]，有着非常广阔的发展前景。
单一的LED芯片并不能直接发出白光。如图1-1所示，目前获得白光LED的封装技术主要分为两类，一类是利用两个或多个三基色LED芯片出光合成白光[19,20]，如蓝光LED+黄绿光LED、蓝光LED+绿光LED+红光LED等；另一类是利用短波长单色LED芯片激发长波长荧光粉合成白光[21,22]，如蓝光LED激发黄绿色荧光粉、近紫外LED芯片激发三基色荧光粉等。
图1-1 利用LED获取白光照明的封装技术
多芯片合成白光的技术虽然具有流明效率高、显色性能好的优势，但由于不同芯片间驱动电压的差异，造成器件结构复杂，成本较高，可靠性也较差。单芯片LED激发荧光粉技术由于其制备工艺简单，成本较低，已经成为了主流的白光LED合成技术。然而，目前，商用单芯片LED激发荧光粉合成的白光LED器件主要是利用氮化镓(gallium nitride, GaN)基蓝光LED芯片激发黄色铯掺杂的钇铝石榴石(cesium doped yttrium aluminium garnet, YAG∶Ce)荧光粉，如图1-2 所示。虽然该方法可以获得较高的光效，但由于黄色荧光粉发光光谱的半峰全宽(full width at half maximum, FWHM)较宽(80～100nm)[23,24]，在颜色坐标图上所能覆盖的颜色域较小(美国国家电视标准委员会NTSC 标准色域的75%左右)，作为背光源使用时，难以展现某些颜色细节[25]。此外，荧光粉激发型白光LED的光谱成分中缺少红光成分，在对饱和度高的物体照明时会出现较严重的颜色失真[26]。特别地，近年来，白光LED中蓝光成分过高所导致的人眼视网膜蓝光危害(blue light hazard)问题[27,28]、生物司辰节律(circadian rhytms)[29,30]失调问题，受到人们的广泛关注。以上种种原因，都使得当前主流的LED光源无法满足人们对室内高显色性能(colorrendering performance)、光生物安全性(photobiological safety)等照明质量的需求，这严重阻碍了荧光粉激发型白光LED光源进入室内照明等通用照明市场。这些问题都可以归结为白光LED的发光光谱不理想所导致的光色度学问题和生物视觉安全性问题，本书通过研究白光LED的光谱设计及封装优化方法，以提高白光LED的光色性能、提升光源的生物视觉安全性，具有重要的学术价值和研究意义。
图1-2 荧光粉激发型白光LED的封装结构
1.2 白光LED光谱优化研究国内外现状
LED的核心光度、色度学参数如相关色温(correlated color temperature，CCT)、显色性能与其发光光谱直接相关，LED的发光效率、光生物安全性与其发光光谱密切相关。根据LED光谱优化光色参数目标的不同，目前国内外白光LED的光谱优化方法可归纳为以下4种。
1. 以高显色性能、高光效、色温大范围可调为目标的优化方法
光源的显色性、光效是LED照明应用的核心光色参数。其中，光效不仅与其光谱相关，而且与出光效率、芯片辐射效率相关[31]，LED光谱设计中，一般仅考虑光谱对其的影响，采用光视效能(luminous efficacy of radiation，LER)作为光谱优化目标。目前业界普遍采用显色指数(color-rendering index，CRI)评价光源的显色性能。据此，Dai等[32]、Bulashevich 等[33]、Zhong等[34]以蓝黄红多色光谱为光谱模型，建立以高光视效能、高CRI、色温大范围为优化目标的光谱优化方法，获得了高光视效能、高CRI指数、宽色温范围的合成白光LED光谱。CRI指数的提出时间为20世纪60年代，研究对象为当时常用的荧光灯光源，故其更适合于评价荧光灯的显色性能[35]。然而，随着LED光源的发展，CRI指数在评价LED显色性能时存在一些缺陷，例如，它采用颜色卡的颜色空间非均匀、色卡样本属于低饱和度[35,36]，因此，即使高CRI值的LED光源在照明高饱和色物体时，其显色还原能力可能仍然较弱。基于CRI指数用于评估白光LED的显色性能时所表现出的诸多缺陷和不足，美国国家标准研究院的Ohno 等[37]提出一种颜色质量尺度(color quality scale，CQS)，采用具有高饱和度的色卡作为颜色样本，以评价白光LED的显色质量。在评估红绿蓝白光LED及由多个窄辐射带构成的白光LED的显色性能时，实验证实，相较于CRI，CQS具有明显的进步。据此，Ohno 等[38]提出了一种将CQS指数作为优化目标的光谱优化方法，获得了具有高光视效能、高CQS指数、宽色温的合成白光LED光谱。
但是，根据Pousset 等[39]做的视觉实验，CQS所用色卡存在人体主观偏爱色，可能影响显色性的准确判断，因此，CQS指数并非完美，仍需进一步改进。综上所述，目前尚未出现一种可合理完善评价LED光源的显色性的显色性评价指标，如何优化LED的发光光谱，以提高其显色能力是需要解决的重要问题。
2. 针对人体生物安全性的光谱优化方法
随着白光LED逐渐进入室内照明及背光照明领域，人们在其光照下生活的时间越来越长，因此，白光LED光源的光生物安全性受到了大家的广泛关注。光生物安全主要包括热辐射危害和光化学危害两种[40]。热辐射危害由光能量太强而造成，人体可直接感知；而光化学危害是发生在人眼内部的光化学反应，表现为人眼结构的变化，因为其不会产生热辐射效率，人体并不会直接疼痛的感受，长期会对人眼造成不可逆转的伤害，如黄斑病变、视力下降等。因此，本书重点考虑白光LED的光化学危害。白光LED所发光谱为可见光波段，其可能存在的光化学危害集中在高能蓝光波段部分，称之为蓝光危害。
目前常用的LED白光由蓝光芯片激发黄光荧光粉而成，该白光光谱中蓝光成本的占比远远高于太阳光、白炽灯、荧光灯等传统光源，如图1-3 所示，因此其存在潜在的蓝光危害相对严重[27,28]。已有大量文献报道光源潜在蓝光危害可损害身体健康：Algvere 等[41]、Cohen 等[42]、Shen 等[43]通过生物学实验证明蓝光危害可对视网膜造成严重的伤害；Tosini 等[44]，Ho 等[45]发现光源蓝光危害可导致生物钟紊乱、损害心理健康；更为严重的是，Brainard 等[29,46]发现高的蓝光危害亦可导致女性乳腺癌。因此，光源的蓝光危害是LED光源光生物安全的重要威胁。
图1-3 传统黄光荧光粉激发型白光LED及三种常见光源光谱
降低白光LED光源光谱的蓝光分量成分，是降低LED光源蓝光危害的有效方法。然而，蓝光颜色分量与光源的关键指标如相关色温、显色性、光效紧密相连，因此，直接降低白光光谱中蓝光分量的占比，可能会改变色温、降低显色性能和光效，导致光源性能恶化[35,19]。虽然目前存在大量的文献[19,32]，通过研究各颜色分量与色温、显色性、光效之间的复杂关系，以优化LED发光光谱，但上述光谱优化方法较少考虑光源的蓝光危害。因此，为了照明的生物安全性，亟须研究一种简单有效的光谱优化方法，以实现低蓝光危害、高光效、高显色性能的白光LED光谱优化方法。
此外，针对传统缺少红光成分的黄光荧光粉激发型白光LED，其显色性能较低，无法满足室内照明的应用需求[25,26]，目前常用的解决方法是通过添加红光荧光粉成分，以提升显色性能[20]。近年来，红光量子点(quantum dots)由于具有窄发射谱且波长可调节的优点，更易于控制以提升荧光粉激发型白光LED光源的显色性能[21]。掺加红光荧光粉或者量子点的黄光荧光粉激发型白光LED都可能具有高的显色性能，但红光荧光粉与红光量子点受激发后的发光光谱半峰全宽(full widths at half maximum，FWHM)并不相同[22,23]，上述两种掺杂方式获得的白光LED具有不同的光谱功率分布模型。在相同的显色性能及光视效能下，两种掺杂方式获得白光LED光源的潜在蓝光危害尚未有系统的比较分析研究。
另一方面，当前白光LED的光谱蓝光成分较高，因此其导致的人体司辰节律失调问题相较于其他人工光源更为突出。考虑司辰节律因子调节范围是LED光谱设计及封装技术发展的一个趋势[47-49]。Zukauskas 等研究了四色LED芯片组成的白光LED的司辰节律因子调节性能[50]；Oh 等探究了四个白光LED模块组成的光源的司辰节律因子调节能力[51]；Dai等系统地研究了不同数量的光谱分量组成的白光LED的司辰节律因子的*小可调值，并提出了利用两颗白光LED和一颗红光LED组成的光源来获得更大的司辰节律因子调节能力[52]。以上研究均取得了良好的司辰节律因子调节效果，然而在调节能力上，传统多芯片的白光LED或荧光粉转化的白光LED受限于低的显色指数，因此在司辰节律因子调节能力上受到显色指数的制约，无法达到*好的调节效果。
3. 考虑反射率特性的节能光谱优化
上述所讨论的优化问题均关注LED光源自身的光谱特性，然而，如图1-4(a)所示，在日常照明场景中，除了显示光源，人们极少会直视LED光源，而是更加关注被照明物体。被照明物体的颜色、亮度信息由物体表面反射到人眼中的光获得。因此，对于物体照明而言，仅仅被物体表面反射的光能量才是有用、有效的光能，其余被物体吸收的光能被视作能源的浪费。如图1-4(b)所示，包括白光LED在内的常用照明光源，光谱能量覆盖整个可见光波段，其中部分波长的光能被物体表面吸收，造成了能源浪费。因此，Durmus等[24]
定价：138.0
ISBN：9787030557094
作者：罗小兵，张晶晶，谢斌
版次：1
出版时间：2018-01
内容提要：
本书从白光LED的光谱设计与封装出发，立足于解决当前高光色质量的白光LED设计与制造中存在的关键性难点。全书分为6章，分别是白光LED简介、高显色性能的白光LED光谱优化、针对人体生物安全性的LED光谱优化方法、考虑物体表面反射特性的节能光源光谱优化、高光学性能的白光LED光学建模和高光学性能的白光LED封装优化。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 背景与研究意义 1
1.2 白光LED光谱优化研究国内外现状 3
1.3 现有技术问题及解决的技术路线 9
第2章 面向高显色性的白光LED光谱优化方法 11
2.1 引言 11
2.2 光源显色性能评价方法 11
2.2.1 CRI显色性评价指数 11
2.2.2 CQS显色质量评价指数 12
2.3 同时考虑CRI指数和CQS指数的LED光谱优化方法 13
2.3.1 白光LED的光谱建模 13
2.3.2 基于惩罚函数的遗传优化算法 14
2.4 仿真结果及分析 17
2.5 本章小结 21
第3章 面向人体光生物安全的LED光谱优化方法 22
3.1 引言 22
3.2 照明中的光生物安全问题 22
3.2.1 蓝光危害问题 22
3.2.2 司辰节律问题 27
3.3 面向低蓝光危害的光谱优化 29
3.3.1 光谱建模 29
3.3.2 优化算法及结果分析 29
3.3.3 量子点模型和荧光粉模型的蓝光危害性能比较 35
3.3.4 量子点模型的光色参数关系研究 38
3.4 面向宽司辰节律因子调节范围的光谱优化 40
3.4.1 光谱优化方法及结果分析 40
3.4.2 宽司辰节律因子调节范围的白光LED封装设计 47
3.5 本章小结 54
第4章 考虑物体表面反射特性的节能光源光谱优化方法 55
4.1 引言 55
4.2 照明中物体表面反射率引起的光能浪费问题 55
4.3 节能效率评价方式 56
4.3.1 针对单色物体的光谱节能效率 57
4.3.2 针对多色物体的光谱节能效率 57
4.4 节能光谱优化方法 59
4.4.1 单色物体的节能光谱优化 59
4.4.2 多色物体的节能LED 光谱优化 63
4.5 本章小结 66
第5章 高光学性能的白光LED光学建模 67
5.1 引言 67
5.2 白光LED中荧光材料的精确光学建模方法 67
5.2.1 荧光材料基本光学参数 67
5.2.2 荧光材料光学参数测试理论及系统搭建 69
5.2.3 荧光材料光学参数测试与光学建模 80
5.3 白光LED封装体建模与分析 85
5.3.1 铜铟硫/硫化锌核壳结构量子点材料的制备与测量 85
5.3.2 典型量子点LED封装结构与模型设定 94
5.3.3 量子点白光LED光学建模与实验分析 99
5.3.4 量子点LED仿真结果的实验验证 102
5.4 本章小结 104
第6章 高光学性能的白光LED封装优化 106
6.1 引言 106
6.2 高光学效率的白光LED封装优化 106
6.2.1 白光LED封装次序对光热性能的影响研究 106
6.2.2 白光LED封装结构对光热性能的影响研究115
6.2.3 提高量子点薄膜光转化效率的封装优化119
6.3 高光学稳定性的白光LED封装优化 124
6.4 本章小结 137
参考文献 138
在线试读：
第1章 绪论
1.1 背景与研究意义
发光二极管(lightemitting diode，LED)是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体PN 结通过正向电流时，利用半导体材料中的电子和空穴发生带间跃迁辐射复合而发出光子的发光器件[1]。1997年，日本的Nakamura 等采用高亮度的蓝光LED芯片与黄色荧光粉(Y3A15O12∶Ce3+，YAG)相结合，成功制造出世界上第*只白光LED[2]，并于1998年作为商用照明光源推向市场，为实现白光LED在照明领域的普及应用奠定了基础。经过20 多年的快速发展，随着对PN 结结构[3-5]和工艺技术[6-8]的持续改进和创新，LED的光效得到极大的提升。2002年白光LED的发光效率刚超过20lm/W，2008年就达到了100lm/W，到2010年，大功率白光LED芯片光效突破了208lm/W[9]。在2014年3月27日，美国科锐(Cree)公司宣布白光功率型LED实验室发光光效(luminous efficacy，LE)达到303lm/W，再度树立LED行业里程碑[10]。
作为一种新型固态照明光源，与传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯光源相比，白光LED具有节能环保、体积小、寿命长、抗震动、瞬时启动等诸多优点[10]。传统的日光灯管中充有汞蒸汽，灯管破裂后汞会挥发到空气中，对身体健康带来极大的危害，大量的汞也会破坏环境。LED产品不含汞，对环境无污染。更重要的是，相比传统光源而言，白光LED具有更高的光效。如果全球50%的照明光源被LED取代，那么每年可节省照明电费1000亿美元，减少大气污染物排放3.5×108t[13]，对于节能减排、保护环境具有非常重要的意义。因此，白光LED被视为21 世纪的绿色照明光源[14-16]，受到各国政府和跨国公司极大的重视。为了推动LED产业的发展，美国提出了“国家半导体照明计划”，欧盟提出“彩虹计划”，韩国政府也斥资5 亿美元实施“GaN半导体发光计划”[17]。我国也提出了“国家半导体照明工程”，并于2009年推出了“十城万盏”半导体照明应用示范工程。目前，我国共有上海、西安等21个城市和北京、宝鸡等16 个城市分别被确认为第*批、第二批“十城万盏”示范城市。白光LED成为现代照明的发展趋势，已经越来越被广泛地应用于道路照明、背光光源、汽车照明、景观照明等各种照明领域，目前正在朝着室内照明等通用照明市场迈进[11,18]，有着非常广阔的发展前景。
单一的LED芯片并不能直接发出白光。如图1-1所示，目前获得白光LED的封装技术主要分为两类，一类是利用两个或多个三基色LED芯片出光合成白光[19,20]，如蓝光LED+黄绿光LED、蓝光LED+绿光LED+红光LED等；另一类是利用短波长单色LED芯片激发长波长荧光粉合成白光[21,22]，如蓝光LED激发黄绿色荧光粉、近紫外LED芯片激发三基色荧光粉等。
图1-1 利用LED获取白光照明的封装技术
多芯片合成白光的技术虽然具有流明效率高、显色性能好的优势，但由于不同芯片间驱动电压的差异，造成器件结构复杂，成本较高，可靠性也较差。单芯片LED激发荧光粉技术由于其制备工艺简单，成本较低，已经成为了主流的白光LED合成技术。然而，目前，商用单芯片LED激发荧光粉合成的白光LED器件主要是利用氮化镓(gallium nitride, GaN)基蓝光LED芯片激发黄色铯掺杂的钇铝石榴石(cesium doped yttrium aluminium garnet, YAG∶Ce)荧光粉，如图1-2 所示。虽然该方法可以获得较高的光效，但由于黄色荧光粉发光光谱的半峰全宽(full width at half maximum, FWHM)较宽(80～100nm)[23,24]，在颜色坐标图上所能覆盖的颜色域较小(美国国家电视标准委员会NTSC 标准色域的75%左右)，作为背光源使用时，难以展现某些颜色细节[25]。此外，荧光粉激发型白光LED的光谱成分中缺少红光成分，在对饱和度高的物体照明时会出现较严重的颜色失真[26]。特别地，近年来，白光LED中蓝光成分过高所导致的人眼视网膜蓝光危害(blue light hazard)问题[27,28]、生物司辰节律(circadian rhytms)[29,30]失调问题，受到人们的广泛关注。以上种种原因，都使得当前主流的LED光源无法满足人们对室内高显色性能(colorrendering performance)、光生物安全性(photobiological safety)等照明质量的需求，这严重阻碍了荧光粉激发型白光LED光源进入室内照明等通用照明市场。这些问题都可以归结为白光LED的发光光谱不理想所导致的光色度学问题和生物视觉安全性问题，本书通过研究白光LED的光谱设计及封装优化方法，以提高白光LED的光色性能、提升光源的生物视觉安全性，具有重要的学术价值和研究意义。
图1-2 荧光粉激发型白光LED的封装结构
1.2 白光LED光谱优化研究国内外现状
LED的核心光度、色度学参数如相关色温(correlated color temperature，CCT)、显色性能与其发光光谱直接相关，LED的发光效率、光生物安全性与其发光光谱密切相关。根据LED光谱优化光色参数目标的不同，目前国内外白光LED的光谱优化方法可归纳为以下4种。
1. 以高显色性能、高光效、色温大范围可调为目标的优化方法
光源的显色性、光效是LED照明应用的核心光色参数。其中，光效不仅与其光谱相关，而且与出光效率、芯片辐射效率相关[31]，LED光谱设计中，一般仅考虑光谱对其的影响，采用光视效能(luminous efficacy of radiation，LER)作为光谱优化目标。目前业界普遍采用显色指数(color-rendering index，CRI)评价光源的显色性能。据此，Dai等[32]、Bulashevich 等[33]、Zhong等[34]以蓝黄红多色光谱为光谱模型，建立以高光视效能、高CRI、色温大范围为优化目标的光谱优化方法，获得了高光视效能、高CRI指数、宽色温范围的合成白光LED光谱。CRI指数的提出时间为20世纪60年代，研究对象为当时常用的荧光灯光源，故其更适合于评价荧光灯的显色性能[35]。然而，随着LED光源的发展，CRI指数在评价LED显色性能时存在一些缺陷，例如，它采用颜色卡的颜色空间非均匀、色卡样本属于低饱和度[35,36]，因此，即使高CRI值的LED光源在照明高饱和色物体时，其显色还原能力可能仍然较弱。基于CRI指数用于评估白光LED的显色性能时所表现出的诸多缺陷和不足，美国国家标准研究院的Ohno 等[37]提出一种颜色质量尺度(color quality scale，CQS)，采用具有高饱和度的色卡作为颜色样本，以评价白光LED的显色质量。在评估红绿蓝白光LED及由多个窄辐射带构成的白光LED的显色性能时，实验证实，相较于CRI，CQS具有明显的进步。据此，Ohno 等[38]提出了一种将CQS指数作为优化目标的光谱优化方法，获得了具有高光视效能、高CQS指数、宽色温的合成白光LED光谱。
但是，根据Pousset 等[39]做的视觉实验，CQS所用色卡存在人体主观偏爱色，可能影响显色性的准确判断，因此，CQS指数并非完美，仍需进一步改进。综上所述，目前尚未出现一种可合理完善评价LED光源的显色性的显色性评价指标，如何优化LED的发光光谱，以提高其显色能力是需要解决的重要问题。
2. 针对人体生物安全性的光谱优化方法
随着白光LED逐渐进入室内照明及背光照明领域，人们在其光照下生活的时间越来越长，因此，白光LED光源的光生物安全性受到了大家的广泛关注。光生物安全主要包括热辐射危害和光化学危害两种[40]。热辐射危害由光能量太强而造成，人体可直接感知；而光化学危害是发生在人眼内部的光化学反应，表现为人眼结构的变化，因为其不会产生热辐射效率，人体并不会直接疼痛的感受，长期会对人眼造成不可逆转的伤害，如黄斑病变、视力下降等。因此，本书重点考虑白光LED的光化学危害。白光LED所发光谱为可见光波段，其可能存在的光化学危害集中在高能蓝光波段部分，称之为蓝光危害。
目前常用的LED白光由蓝光芯片激发黄光荧光粉而成，该白光光谱中蓝光成本的占比远远高于太阳光、白炽灯、荧光灯等传统光源，如图1-3 所示，因此其存在潜在的蓝光危害相对严重[27,28]。已有大量文献报道光源潜在蓝光危害可损害身体健康：Algvere 等[41]、Cohen 等[42]、Shen 等[43]通过生物学实验证明蓝光危害可对视网膜造成严重的伤害；Tosini 等[44]，Ho 等[45]发现光源蓝光危害可导致生物钟紊乱、损害心理健康；更为严重的是，Brainard 等[29,46]发现高的蓝光危害亦可导致女性乳腺癌。因此，光源的蓝光危害是LED光源光生物安全的重要威胁。
图1-3 传统黄光荧光粉激发型白光LED及三种常见光源光谱
降低白光LED光源光谱的蓝光分量成分，是降低LED光源蓝光危害的有效方法。然而，蓝光颜色分量与光源的关键指标如相关色温、显色性、光效紧密相连，因此，直接降低白光光谱中蓝光分量的占比，可能会改变色温、降低显色性能和光效，导致光源性能恶化[35,19]。虽然目前存在大量的文献[19,32]，通过研究各颜色分量与色温、显色性、光效之间的复杂关系，以优化LED发光光谱，但上述光谱优化方法较少考虑光源的蓝光危害。因此，为了照明的生物安全性，亟须研究一种简单有效的光谱优化方法，以实现低蓝光危害、高光效、高显色性能的白光LED光谱优化方法。
此外，针对传统缺少红光成分的黄光荧光粉激发型白光LED，其显色性能较低，无法满足室内照明的应用需求[25,26]，目前常用的解决方法是通过添加红光荧光粉成分，以提升显色性能[20]。近年来，红光量子点(quantum dots)由于具有窄发射谱且波长可调节的优点，更易于控制以提升荧光粉激发型白光LED光源的显色性能[21]。掺加红光荧光粉或者量子点的黄光荧光粉激发型白光LED都可能具有高的显色性能，但红光荧光粉与红光量子点受激发后的发光光谱半峰全宽(full widths at half maximum，FWHM)并不相同[22,23]，上述两种掺杂方式获得的白光LED具有不同的光谱功率分布模型。在相同的显色性能及光视效能下，两种掺杂方式获得白光LED光源的潜在蓝光危害尚未有系统的比较分析研究。
另一方面，当前白光LED的光谱蓝光成分较高，因此其导致的人体司辰节律失调问题相较于其他人工光源更为突出。考虑司辰节律因子调节范围是LED光谱设计及封装技术发展的一个趋势[47-49]。Zukauskas 等研究了四色LED芯片组成的白光LED的司辰节律因子调节性能[50]；Oh 等探究了四个白光LED模块组成的光源的司辰节律因子调节能力[51]；Dai等系统地研究了不同数量的光谱分量组成的白光LED的司辰节律因子的*小可调值，并提出了利用两颗白光LED和一颗红光LED组成的光源来获得更大的司辰节律因子调节能力[52]。以上研究均取得了良好的司辰节律因子调节效果，然而在调节能力上，传统多芯片的白光LED或荧光粉转化的白光LED受限于低的显色指数，因此在司辰节律因子调节能力上受到显色指数的制约，无法达到*好的调节效果。
3. 考虑反射率特性的节能光谱优化
上述所讨论的优化问题均关注LED光源自身的光谱特性，然而，如图1-4(a)所示，在日常照明场景中，除了显示光源，人们极少会直视LED光源，而是更加关注被照明物体。被照明物体的颜色、亮度信息由物体表面反射到人眼中的光获得。因此，对于物体照明而言，仅仅被物体表面反射的光能量才是有用、有效的光能，其余被物体吸收的光能被视作能源的浪费。如图1-4(b)所示，包括白光LED在内的常用照明光源，光谱能量覆盖整个可见光波段，其中部分波长的光能被物体表面吸收，造成了能源浪费。因此，Durmus等[24]