功率 LED 的特性
本文全面概述了功率 LED 特性（光学和电气）。在介绍人眼的颜色感知并解释功率 LED 数据表中常用的颜色表示背后的基本概念之后，介绍了光源重要的特性和参数。
了解人眼的颜色感知
人眼内部有两种参与视觉的感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞用于非常低的光水平（夜视）并提供一种灰度图像，而视锥细胞用于看到颜色。
光被人眼后部的视杆细胞和视锥细胞吸收
图 1. 光被人眼后部的视杆细胞和视锥细胞吸收1。
视网膜锥体有三种类型：红色、绿色和蓝色。每个视锥细胞的灵敏度主要针对红色、绿色或蓝色波长。
1931 年，国际照明委员会 (CIE) 创建了CIE 1931 XYZ 色彩空间，该空间根据人类视觉中感知的颜色定义了颜色表示。经过对人类观察者进行一系列实验后，CIE 定义了三种颜色匹配函数来描述 CIE 标准观察者感知的色响应。
CIE标准观察员的配色功能
图 2. CIE 标准观察者的颜色匹配功能2．图片由 Acdx 提供 （CC BY-SA 4.0）
对于入射光谱功率分布 P(λ)，颜色感知由三个三刺激值 XYZ 的组合定义，计算如下：
X = ∫ ∞ 0 P ( λ ) ˉ x ( λ ) d λ�=∫0∞�(�)�ˉ(�)��
Y = ∫ ∞ 0 P ( λ ) ˉ y ( λ ) d λ�=∫0∞�(�)�ˉ(�)��
Z = ∫ ∞ 0 P ( λ ) ˉ z ( λ ) d λ
由于颜色由三个值定义，因此可见颜色的完整图是三维图形。CIE采用了一种简化颜色表示的方法。他们将颜色的概念分为两部分：亮度和色度。为了解释这两个定义的含义，我们可以考虑白色（明亮的颜色）和灰色（被认为是白色的不太明亮的版本）。白色和灰色的色度相同，但亮度不同。
CIE考虑的实验结果表明，人眼感知的颜色亮度主要来自Y分量。他们利用人类颜色感知的这种特殊性来采用替代颜色表示，其中 Y 分量被视为颜色亮度的度量。然后，色度由从归一化三刺激值 X、Y、Z 导出的两个参数 x 和 y 指定：
x = X X + Y + Z�=��+�+�
y = Y X + Y + Z�=��+�+�
z = Z X + Y + Z= 1 ? x ? y
因此，x 和 y 的每个组合定义了可以在二维图形上表示的颜色，而 Y 定义了其亮度。CIE 1931 (x,y) 色度图是人眼可感知的 (x,y) 颜色空间中的颜色图。
CIE 1931 (x,y) 色度图3
图 3 – CIE 1931 (x,y) 色度图3。
在 CIE 1931 (x,y) 色度图中，单色位于周边，而白色位于中心。颜色饱和度朝图的中心逐渐降低。
光源的特性和性能
由于颜色感知本质上是颜色空间的加法函数，因此具有相同表观颜色（相同 XYZ 三刺激值，无论产生它们的光的光谱分布如何）的两个光源可以由不同的波长组成。
这个概念往往不为LED用户所知，但为LED制造商所熟知。例如，他们使 LED 从 RGB LED（三个不同的光发射器组合在一起）或从由蓝光发射器和黄色磷光体反射器构建的 LED 获得相同的白光。
使用 LED 产生相同白光的两种方法
图 4 – 使用 LED 产生相同白光的两种方法。
白光 LED 是世界上使用的 LED 的大部分（街道照明、室内照明、便携式灯具等）。我们都知道，不同的应用通常采用不同的白色色调。
对白光 LED 色调进行分类的一个重要参数是CCT（相关色温）。黑体辐射器是一种理想化的物体，在加热时会发出辐射，产生的光谱的一部分是可见光。
当金属被加热到极高的温度时，它们会变成红色，然后是黄色，然后是白色。黑体线（或普朗克轨迹）提供了一种表征白光源的方法。
显示普朗克轨迹和色温的 CIE 1931 色度图
图 5 – 显示普朗克轨迹和色温的 CIE 1931 色度图4。
每种色温都与不同的白色色调相关。1800-3000K 的色温称为暖白色（白色的黄色调）。3500-4000K 的 CCT 被称为中性白（接近太阳光色调），而 4500-5500K 的 CCT 被称为冷白（蓝色调）。
在光源的生产中，需要考虑的一个重要方面是发射颜色的再现性。生产的 LED 会有公差，并且每个 LED 都会具有与其他 LED 不同的白色色调。
大卫·麦克亚当进行了一系列实验来记录不同用户对颜色感知的差异。1940 年左右，他表明用户倾向于将他们对相似颜色的感知聚集到 CIE (x,y) 颜色空间中的椭圆中。他将参考颜色周围包含普通人眼无法区分的颜色的椭圆命名为 1 步椭圆。围绕相同参考颜色的其他同心椭圆被命名为 2 步、3 步、4 步等。
ANSI 定义了标准 C78.377-2008，初它是基于 7 步麦克亚当椭圆创建 CFL 灯的分级。这些箱以黑体线为中心，ANSI 将它们分类为平行四边形，其大小和方向大致包围麦克亚当椭圆。
ANSI C78.377-2008 标准的插图
图 6 – ANSI C78.377-2008 标准的插图5
如今，从 CFL 灯过渡到 LED 灯后，基于三步麦克亚当椭圆的分箱通常是 LED 制造商提供的分箱。
LED 领域的另一个基本光学参数是CRI——显色指数。每个物体都呈现出特定的颜色，这是照明该物体的光源的光谱成分以及物体反射该光的方式的结果。
具有完整光谱成分（存在所有可见波长）的光源被认为是理想光源，因为它允许物体呈现所有颜色（反射所有颜色）。该示例光源的 CRI 值为 100%。
对于某些波长占主导地位的光源，CRI 值较低（即 70%），因为与理想光源产生的理想颜色相比，从物体反射的相关颜色会发生改变。
在常见的 LED 照明应用中，CRI 70% 是常见的典型值，而 CRI 80% 或更高则被认为是非常好的值。
