LED照明工程师工作最了解国际照明委员会(CIE)1931 x，y的颜色空间(或CIE颜色空间)是用来表征白光LED的基础上。纯彩色或白色发光二极管的输出可以根据图上的x和y坐标定义颜色(色相)和饱和度(纯度)。
然而，很少有工程师能理解为什么CIE颜色空间能够很好地用作LED分析工具。部分原因是自然光被用作LED输出的基准。这是因为太阳被认为是完美的照明器(我们的眼睛已经完全进化)是一个黑色的辐射体，它能在宽的带宽上发光。在照明技术中独一无二的，与波长转换磷光体相配套的纯彩色LED是一种近乎理想的人工光源，因为它们能够很好地模拟太阳光谱功率分布(SPD)，同时限制能量发射到可见光谱。
黑体辐射体的输出可以在CIE颜色空间的轨迹上绘制，作为LED色温相关的参考(CCT)。CCT是表征发光二极管的一个重要参数，它允许制造商提供一系列白光器件以满足许多应用。
本文着眼于起源的CIE色空间––的想象早在LED照明––主流实践并解释如何使用它来帮助和现代LED特性的发展。
大自然的黑色辐射体
在人类发现人造光之前，光的唯一来源是太阳。数百万年的进化导致眼睛在阳光下运作，人类自然将这种光线与舒适和安全联系起来。
太阳是一个黑体辐射体，由于热过程而发出光。光被定义为眼睛可见的电磁辐射。在太阳中，这种电磁辐射的主要来源是由恒星核心的聚变热能激发的原子。
这种激发是高度随机的，但在宏观尺度上，黑体的光发射可以用普朗克定律精确地模拟出来。该定律描述黑体在一定温度下在热平衡时发出的电磁辐射。发出的能量在一个给定的波长(包括那些在非可见光谱，如红外线和紫外线)对不同温度下的黑色的身体变化;例如，在较低的温度下，较长的波长(红)支配和黑体发出暗红色的。较温暖的黑体在更短(更蓝)的波长上发出更多的能量，颜色从明亮的黄色到蓝白色的颜色，因为它们变得更热。
黑体的SPD的图说明了浓度，如波长的函数，辐射或光度的量，如光源的辐射能或辐射通量。太阳表面的温度大约是5250 K，它散发出一种具有峰值发射的中温恒星特有的黄白色颜色(也许不必考虑太阳在可见光谱中如何影响眼睛的演化)。图1显示了各种黑色的身体，SPDs––包括太阳发射在5000 K––覆盖在电磁频谱的可见部分的模拟。
黑体辐射体光谱功率分布图
图1：黑体辐射体在选定温度下的光谱功率分布。
(注意，特别是散射蓝光的大气，会改变地球表面的太阳色。)。当太阳在头顶，光线穿过少大气所以显得更加“自然”(即黄白)而在晚上，例如，光线穿过厚层的大气，因此显示为蓝色波长分散到更大的程度的红。)
CIE颜色空间
CIE色彩空间是由William David Wright和John Guild在20世纪20年代后期进行的一系列实验中得出的。该图提供了可见光电磁光谱中物理纯颜色和人类色觉中生理感知颜色之间的第一个定量联系。
眼睛不能同时检测所有颜色。例如，视网膜中的颜色敏感锥对绿光最敏感。这些特殊细胞的敏感性迅速地向光谱的蓝色部分(红色部分)迅速脱落。例如，锥体对472纳米蓝光的敏感度只有10%到555纳米的绿色。
CIE颜色空间特别新奇的是它使用了一组颜色匹配函数，这些函数是对“标准”人类观察者的色响应的数值描述。颜色匹配函数副身体产生的光谱与特定的刺激值–因此考虑到眼睛的光受体敏感性的变化。
CIE颜色空间允许使用两个派生参数x和y绘制颜色的颜色(独立于发光的质量的指示)，而不是在颜色空间中x和y的所有值对应于可见的颜色。相反，所有可见的颜色都包含在一个由“光谱轨迹”和“紫色线”定义的信封中，这个光谱轨迹是一个曲线，它描绘了整个可见光谱中包含单一波长的颜色的x，y值。轨迹上的数字与颜色的波长相对应。紫色线条——由红色和蓝色混合而成的直线轨迹——形成CIE颜色空间的下边界(图2)。
CIE颜色空间的图像
图2：CIE颜色空间展示普朗克轨迹位置。
颜色的色相取决于光谱上的基本颜色(例如红、橙、黄、绿、蓝或紫)。包含一个或几个波长的颜色的饱和度总是大于同一色调的光，但具有更宽的光谱带宽。光谱带宽越大(饱和度越低)，x，y色度坐标进一步从光谱轨迹移动。在图的中心区域，颜色被淡化，呈现柔和的色调。移动到足够远到图表的中心，颜色变成白色和白色。白色通常被描述为没有颜色，由许多波长组成。CIE颜色空间中最接近“纯”白的点是相当于在可见光谱中的每个波长上显示相同能量的SPD的点。这一点有时被称为“E”的CIE色彩空间，但对LED制造商是最小的兴趣，因为该技术不容易自己的平等能源光源的制造。
另一个重要的功能，通常包括在CIE颜色空间是普朗克(或黑体)轨迹。这是一个由1000 K(深红色)到10000 K以上的不同温度(蓝白色)的黑体颜色坐标图，见图2。
表征LED
在考虑照明应用之前，LED在诸如指示器和标牌等应用领域很受欢迎。红色、绿色和蓝色设备继续以数十亿美元的速度生产，LED制造商与其他照明制造商一起使用CIE颜色空间来描述他们的产品。
色调(由LED的主导波长决定)和饱和度可以用图表明确定义。发光二极管的色调被定义为通过同一个能量点(e)的线通过LED的x，y坐标相交的光谱轨迹上的波长。饱和是由LED的x，y坐标沿这条线的位置决定的。如果x，y坐标与e一致，则纯度为0。由于LED的坐标沿着谱线移动，轨迹纯度增加，轨迹达到1(图3)。
发光二极管的色调和饱和度图像
图3：CIE颜色空间可以用来显式地定义发光二极管和其他光源的色相和饱和度。(剑桥大学出版社)(1)
对于纯彩色LED，我们关心的是白色的照明设备。CIE颜色空间可以用来指示红色、绿色和蓝色(RGB)LED可以产生的颜色的范围(或色域)。仔细混合光是产生“白色”发光二极管的一种方法。可能的X和Y坐标的RGB组合的范围将落在三角形的顶点的x，y坐标的三个来源(见高新区第“第三方法为白光LED”)。
然而，今天大多数商业白光LED用于照明应用结合了蓝色的LED与钇铝石榴石(YAG)荧光粉。大多数LED的光子都被荧光粉吸收，并且被称为斯托克斯位移的过程在光谱中的黄色和红色部分重新发射。剩下的蓝色发射光子的影响及与黄光与红光结合产生白色(见高新区的文章“洁白，明亮的LED”)。
图4显示了从一个欧司朗奥斯朗SSL白光LED的相对光谱发射(这个芯片有106流明/瓦的疗效在350 mA / 2.95 V)。注意大的峰出现在蓝色区域(LED的直接贡献)，在荧光粉产生的黄色和红色区域有一个更大的驼峰。
来自欧司朗奥斯朗SSL白光LED光谱功率分布图像
图4：从欧司朗奥斯朗SSL白光LED光谱功率分布。虚线钟形曲线是人眼敏感的函数。
完美的人造光
虽然CIE颜色空间早了几十年的商业LED，事实上与波长转换荧光粉纯彩色LED盟军近理想的人工光源匹配一个黑体和限制能量发射的可见光谱的SPD使图开发和表征的白光LED的理想机构。
为了与传统照明相竞争，LED制造商努力生产高质量的产品。显色指数(CRI)和颜色相关温度(CCT)从设备定义光质量。
CRI是一种定量地测量光源与理想或自然光源相比，忠实地再现各种物体颜色的能力。阳光被作为一个基准，拥有一台100(见高新区的文章“什么是显色指数和它为什么重要?“)。如当代LED Cree公司的XLamp xm-l2芯片(153流明/瓦，在700 mA / 2.9 V))和欧司朗的奥斯朗SSL家人CRIs在80至85的范围内。
虽然在CIE颜色空间中没有定义CRI，但CCT无疑是。CCT的定义是“普朗克黑体] [或散热器的感知颜色最接近的一个给定的刺激在同一亮度在特定的观察条件下的温度。”
通过对荧光化学进行细微的改变，制造商可以改变其白色LED的持续时间。图5显示了不同CCT的白光LED的光谱变化。这个例子显示了从Cree公司的XLamp LED xm-l2家庭。
对CREE白光LED的相对光谱辐射图像
图5：CREE白光LED的相对光谱排放不同CCT。
请注意，“回暖”白光LED有更低的CCT。从这些设备的输出包含更多的红光，将辐射的普朗克轨迹冷却器端即使人类感知使然，色彩温馨。“酷”白色LED发出更多的蓝色，辐射被归类为热，虽然再次，人类有另一种看法，决定了光是凉的。生产商生产的白色LED的输出被归类为“暖白色”(2600至3700 K CCT)，“中性白”(3700至5000 K CCT)和“酷白色”(5000至8300 K)。
这些产品适用于不同的用途。例如，消费者喜欢家里的暖白色设备，而企业则发现员工在凉爽的白光照明下更有效率。
不可能可靠地制造完全相同的CCT LED。相反，集团厂家设备与类似的CIE色坐标为“垃圾箱”。分组是由这些四边形具有相同的CCT垂直设置在CIE颜色空间小四边形的确定(见高新区第“决定性的白光LED的颜色特性)。
高级LED设计
如果制造商能够提供高质量的照明产品，消费者愿意用固态照明取代短命的、低效的传统光源。CIE颜色空间证明了一个宝贵的工具，为LED制造商的开发这样的产品，因为它考虑到人眼对光的敏感性不同，不同的颜色和采用的普朗克轨迹定义从温度的增加，黑色的身体颜色的形式排放的人工照明的重要参考。