LED照明色容差問(wèn)題探究

自牛頓發(fā)現白光是由彩色光混合而成以來(lái)，現代色度學(xué)從誕生到現在歷經(jīng)了三百多年歷史，從Tomas Young(1802)的三原色學(xué)說(shuō)，到Ewald Hering(1878)的原色學(xué)說(shuō)(對立顏色學(xué)說(shuō))，再到G.E. Muller(1930)和Judd(1949)的階段視覺(jué)色彩理論，人們已經(jīng)能夠很好地解釋人眼感知顏色的生理、心理及物理現象。

從定量分析與計算色品及色差的理論發(fā)展歷程角度上來(lái)說(shuō)，自CIE-1931-RGB色度標準頒布以來(lái)，先后經(jīng)歷了 CIE-1931-XYZ、CIE-1960-UCS、CIE-1964-W*U*V*、CIE-1976-LAB、CIE-1976-LUV、CIE-DE2000 等諸多替代或補充色度系統與修正方法。

盡管色度學(xué)理論已經(jīng)相當完備，在彩電、印染、材料、化妝、醫療、食品等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用，但在我國LED燈具制造業(yè)內，色度學(xué)知識的應用仍有些不足，除了常見(jiàn)的色坐標、色溫、顯色性、DUV指標外，很少提及色差或色容差指標。

由于人們難以直觀(guān)地理解色坐標和DUV指標，而更習慣于采用人眼評價(jià)LED燈具間的光色差異。人眼評價(jià)色差具有很大的主觀(guān)性，還顧忌到管控燈具色差會(huì )增加制造成本等因素，所以在評價(jià)與管控LED燈具光色差異時(shí)出現非常松散的局面，從而導致各成品燈具間光色差異過(guò)大問(wèn)題。

這種光色差異現象不僅出現在不同廠(chǎng)家同一色溫的燈具之間，還出現在同一廠(chǎng)家不同批次的燈具之間，甚至出現在同一廠(chǎng)家同一批次的燈具之間。如果不能科學(xué)合理地解決色容差問(wèn)題，高品質(zhì)LED照明就無(wú)從談起。

色容差技術(shù)指標 色容差(SDCM， Standard Deviation of Color Matching)的概念由美國柯達公司的顏色科學(xué)家David L.MacAdam(1942)提出，其原意是指在顏色匹配實(shí)驗中，采用紅綠藍三原色匹配某目標色時(shí)，人眼無(wú)法察覺(jué)出匹配色與目標色之間存在顏色差異所容許的色坐標位置的變化范圍。

1942年，MacAdam和P.G Nutting從CIE-1931-XYZ色度圖中選取了25個(gè)目標色，并分別以這25個(gè)目標色的色坐標為中心，在等亮度條件下調整配色濾鏡的參數，尋找與目標色在視覺(jué)上相同的各種匹配色，然后把在視覺(jué)上相同的匹配色坐標點(diǎn)繪制在CIE-1931-XYZ色度圖上。

MacAdam的實(shí)驗結果發(fā)現各匹配色坐標點(diǎn)圍繞目標色中心點(diǎn)呈橢圓形分布，而且這25個(gè)橢圓的大小、方向以及長(cháng)短軸之比都各不相同，后人稱(chēng)這些橢圓為麥克亞當橢圓?？紤]到測試設備誤差、觀(guān)察者人眼的視覺(jué)特性差異、觀(guān)察者主觀(guān)原因等諸多因素的影響，要精確地找出剛好產(chǎn)生顏色差異的邊界線(xiàn)是很困難的，所以在確定橢圓邊界時(shí)，借鑒了統計學(xué)上的標準差(均方差)概念，把圍繞橢圓中心點(diǎn)坐標(目標色)一個(gè)標準差的色坐標點(diǎn)當作視覺(jué)上無(wú)顏色差異的橢圓邊界。根據這25個(gè)橢圓的參數，采用數學(xué)上的插值方法，可以得到CIE-1931-XYZ色度圖上任意位置的麥克亞當橢圓參數。

麥克亞當橢圓的直角坐標表達式如公式(1)所示，式中g(shù)、2g、g為常數，但隨中心點(diǎn)坐標變化而變化。式中S表示色容差距離，x0y0為麥克亞當橢圓的中心點(diǎn)坐標，x、y為距離中心點(diǎn)坐標色容差距離為s的所有點(diǎn)的色坐標。

在繪制橢圓時(shí)，通常采用橢圓方程的極坐標表達式，如公式(2)所示。在CIE-1931-XYZ色度圖中，式中r表示橢圓上的點(diǎn)到橢圓中心的幾何距離，θ為橢圓上的點(diǎn)與橢圓中心之間的連線(xiàn)與X軸正方向之間的夾角，其取值范圍為[0，2π]。在知道某θ方向上的極半徑后，通過(guò)極坐標到直角坐標的坐標變換公式，可以求出對應橢圓上一點(diǎn)的CCX和CCY坐標，如公式(3)所示。

盡管CIE-1976-LUV色度系統和CIE-DE2000對色差計算描述更加詳盡，通過(guò)計算明度、色相、飽和度這三個(gè)參數來(lái)計算色差大小，通常應用于較大色差的計算，例如在光源顯色性的計算時(shí)就采用CIE-1976-LUV色度系統。但對不同光源或不同燈具之間的光色差異來(lái)說(shuō)，通常不考慮亮度(明度)參數的影響，所以MacAdam的色容差方法更適合。

例如，在計算熒光燈的光色差異時(shí)就采用SDCM色容差指標，相關(guān)的行業(yè)標準有GBT 10682-2010、IEC-60081-2010、ANSI C78-376-2001等。標準中規定了常見(jiàn)色溫的熒光燈色容差范圍，分別以CCT誤差范圍、DUV誤差范圍、麥克亞當橢圓的中心點(diǎn)、橢圓長(cháng)軸和短軸、橢圓的傾斜角度、g??、2g??、g??等形式給出。GBT 10682和IEC 60081規定了熒光燈的光色差異應該小于5個(gè)色容差距離，而ANSI C78-376則規定熒光燈的光色差異應小于4個(gè)色容差距離。

在熒光燈色容差規定的基礎上，ANSI C78-377-2008規定了LED光源的色度標準，而該標準主要強調了CCT和DUV指標，對麥克亞當橢圓的參數沒(méi)做出具體規定。對LED照明的從業(yè)者來(lái)說(shuō)，要直觀(guān)地理解色坐標和色溫參數，尤其是直觀(guān)地理解DUV指標是很困難的。而對照明行業(yè)的終端客戶(hù)來(lái)說(shuō)，更是無(wú)法理解或接受這些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。

如能采用色容差指標來(lái)評價(jià)LED光色差異，就簡(jiǎn)單許多，也更容易理解許多。只需要知道一個(gè)中心點(diǎn)坐標，其余顏色的色坐標距離這個(gè)中心點(diǎn)的色容差距離不僅容易計算，而且對照明行業(yè)的終端客戶(hù)來(lái)說(shuō)，理解色容差距離比理解色坐標、色溫及DUV要容易得多。如果廣大終端客戶(hù)能正確地理解色容差距離，他們必將成為一股強有力的監督力量，以推動(dòng)整個(gè)LED照明行業(yè)不斷發(fā)展與進(jìn)步。

LED燈具的色容差 國際主流LED芯片封裝廠(chǎng)商一般都按照ANSI C78-377有關(guān)色度的規定，在25℃結溫、標稱(chēng)驅動(dòng)電流的條件下，在CIE-1931-XYZ色度圖上距離ANSI中心點(diǎn)7個(gè)色容差距離的范圍內，把LED芯片(燈珠)劃分成6—16個(gè)不同的顏色餅(Color Bin)。但在LED燈具制造行業(yè)里，目前尚無(wú)相關(guān)技術(shù)標準規定其色容差距離。由于LED結溫升高、光學(xué)系統、驅動(dòng)電流改變等諸多因素影響，導致LED成品燈具的色坐標距離ANSI C78-377規定的中心坐標相差甚遠。

圖1示意了某樣品燈具的色溫漂移過(guò)程，該燈具選用了NICHIA NF2L757ART芯片，LED樣品芯片的色坐標(出廠(chǎng)分餅時(shí)的色坐標)位于圖中的點(diǎn)A處(距離ANSI中心點(diǎn)坐標約一個(gè)色容差距離)，從LED芯片到成品燈具，其色坐標分別經(jīng)歷了測試設備誤差、回流焊、驅動(dòng)電流改變、燈具光學(xué)系統吸收部分光譜能量、結溫上升等漂移過(guò)程，即：從點(diǎn)A漂移到點(diǎn)F。其中點(diǎn)A為陰影四邊形對角線(xiàn)的交點(diǎn)，而且樣品芯片分餅時(shí)的色坐標平均分布在該陰影四邊形內。

從點(diǎn)A到點(diǎn)B的顏色漂移主要是由燈具制造廠(chǎng)家的測試設備及測試方法與NICHIA分餅測試設備或測試方法差異的原因造成，其余各點(diǎn)間的色坐標漂移在同一臺測試設備上完成。色坐標從點(diǎn)A漂移到點(diǎn)F的過(guò)程中，結溫對LED燈具的色坐標漂移的影響是最大的，但測量結溫對色坐標的影響是比較困難的，因通電時(shí)間長(cháng)短對結溫影響很大，一般要求采用脈沖電流驅動(dòng)LED芯片、脈沖電流的脈寬要適中、積分球的反映時(shí)間極短等諸多測試條件才能較準確地測試出。

圖1

從圖1看出，燈具廠(chǎng)商測試的成品燈具色坐標點(diǎn)F已經(jīng)瀕臨ANSI C78-376規定的4個(gè)色容差距離的邊緣。如在LED燈具設計時(shí)選取NICHIA中間四個(gè)顏色分餅范圍內的LED芯片(即：圖1所示的四個(gè)顏色分餅)，將會(huì )有50%以上的成品燈具超出了ANSI規范的規定。如果不采取顏色控制措施，或選取NICHIA外圍12個(gè)顏色分餅中的某些LED芯片，其成品燈具的色坐標距離ANSI規定的中心點(diǎn)將超過(guò)9個(gè)色容差距離。

如果更換光學(xué)系統材料、或結溫升高，可能導致更大的色坐標漂移情況發(fā)生。在某些極端情況下，不同廠(chǎng)家同一色溫的LED燈具之間的光色差異很可能超過(guò)20個(gè)色容差距離?？梢灶A想，如LED燈具制造廠(chǎng)商不控制色容差指標，難免會(huì )給LED照明行業(yè)帶來(lái)不利影響。

減小LED燈具色容差距離的措施

1 混色法

混色法是指LED燈具制造廠(chǎng)商從LED芯片封裝廠(chǎng)的顏色分餅中挑選兩個(gè)或兩個(gè)以上顏

色餅的LED芯片，進(jìn)行等比例或不等比例的混合，使LED燈具的顏色坐標距離ANSI中心點(diǎn)的色容差距離滿(mǎn)足設計要求?；焐▽儆谝环N很常見(jiàn)的方法，但從實(shí)際工程案例來(lái)看，常受到以下幾個(gè)因素的限制：

① 來(lái)自不同顏色餅的LED芯片或芯片組需要并聯(lián)時(shí)，其VF必須相近或VF餅相同。

② 在采用不等比例混合或多顏色餅混合時(shí)，容易出現LED封裝廠(chǎng)的產(chǎn)能分布與混色方案的顏色餅分布不相符的情況，可能導致某些顏色餅供貨不足而某些顏色餅庫存過(guò)多的問(wèn)題。

③ 顏色分餅過(guò)多，盡管可以增加混色方案的靈活度，從而減小LED燈具的色容差距離，但同時(shí)也導致生產(chǎn)工藝和倉管等成本更高。

④ 混色芯片過(guò)多，限制了電路設計的靈活性，也增加芯片封裝廠(chǎng)的難度。一般來(lái)說(shuō)，兩顆混色比較簡(jiǎn)單實(shí)用。

圖2(左)兩對角顏色餅等比例混色方案(16分餅)

圖3(右)兩對角顏色餅等比例混色方案(9分餅)

圖2和圖3分別示意了16分餅的兩對角等比例混合方案和9分餅的兩對角等比例混合方案。從圖2和圖3看出，在考慮燈具制程的顏色漂移前，16分餅的混色方案基本上把LED燈具的芯片級色坐標(圖中加粗四邊形內)控制在2個(gè)色容差距離的橢圓內(圖中加粗橢圓)，而9分餅混色方案基本上能把芯片級色坐標控制在3個(gè)色容差距離的橢圓內。

2 調整分餅中心法

從圖2和圖3的混色方案知，盡管LED芯片級色坐標到ANSI中心點(diǎn)只有2～3個(gè)色容差距離，但考慮到圖1的顏色漂移過(guò)程后，LED燈具的熱穩狀態(tài)的色坐標將在圖2或圖3的基礎上再往左下角方向漂移約3個(gè)色容差距離，即：所有LED燈具距離ANSI中心約2-4個(gè)色容差距離(對圖2來(lái)說(shuō))或0-6個(gè)色容差距離(對圖3來(lái)說(shuō))。如果LED芯片封裝廠(chǎng)能夠通過(guò)調整熒光粉配比，按照相反的方向(朝右上角方向)移動(dòng)其分餅時(shí)的色坐標中心點(diǎn)，則可抵消燈具制造所帶來(lái)的色坐標漂移影響。

3 熱態(tài)分餅法

從圖1看出，因結溫升高導致的色坐標漂移量是最大的，如果LED芯片封裝廠(chǎng)提高顏色分餅時(shí)的工作結溫，使之與燈具熱穩態(tài)時(shí)的工作結溫相等或相近，則LED燈具成品的色坐標距離ANSI中心的色容差距離就會(huì )減小很多。

結束語(yǔ) 色差問(wèn)題在LED照明行業(yè)里一直存在，如何科學(xué)有效地解決色差問(wèn)題，正考驗著(zhù)相關(guān)行業(yè)從業(yè)者的智慧。它不僅需要從業(yè)者掌握科學(xué)合理的方法，還需要諸多其它方面的配合，例如：LED芯片廠(chǎng)商和燈具制造廠(chǎng)商的緊密配合，高要求的行業(yè)標準出臺，檢測機構和檢測設備的技術(shù)指標更新，終端客戶(hù)的廣泛參與和監督，制造工藝、熒光粉、光學(xué)材料等技術(shù)改良或革新。

本文介紹的色容差技術(shù)指標同更常見(jiàn)的色溫、色坐標、DUV指標相比，要直觀(guān)而容易理解，如該指標能在我國LED照明領(lǐng)域得以推廣，或許出臺相關(guān)標準以限制固定色溫的LED燈具的色坐標距離ANSI中心不得超過(guò)4～5個(gè)色容差距離，那必將對整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極作用。