LED照明色容差問題探究

自牛頓發(fā)現(xiàn)白光是由彩色光混合而成以來，現(xiàn)代色度學(xué)從誕生到現(xiàn)在歷經(jīng)了三百多年歷史，從Tomas Young(1802)的三原色學(xué)說，到Ewald Hering(1878)的原色學(xué)說(對立顏色學(xué)說)，再到G.E. Muller(1930)和Judd(1949)的階段視覺色彩理論，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(xiàn)象。

從定量分析與計算色品及色差的理論發(fā)展歷程角度上來說，自CIE-1931-RGB色度標(biāo)準(zhǔn)頒布以來，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(bǔ)充色度系統(tǒng)與修正方法。

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

由于人們難以直觀地理解色坐標(biāo)和DUV指標(biāo)，而更習(xí)慣于采用人眼評價LED燈具間的光色差異。人眼評價色差具有很大的主觀性，還顧忌到管控?zé)艟呱顣黾又圃斐杀镜纫蛩?，所以在評價與管控LED燈具光色差異時出現(xiàn)非常松散的局面，從而導(dǎo)致各成品燈具間光色差異過大問題。

這種光色差異現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在不同廠家同一色溫的燈具之間，還出現(xiàn)在同一廠家不同批次的燈具之間，甚至出現(xiàn)在同一廠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題，高品質(zhì)LED照明就無從談起。

色容差技術(shù)指標(biāo) 色容差(SDCM， Standard Deviation of Color Matching)的概念由美國柯達(dá)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(lán)三原色匹配某目標(biāo)色時，人眼無法察覺出匹配色與目標(biāo)色之間存在顏色差異所容許的色坐標(biāo)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個目標(biāo)色，并分別以這25個目標(biāo)色的色坐標(biāo)為中心，在等亮度條件下調(diào)整配色濾鏡的參數(shù)，尋找與目標(biāo)色在視覺上相同的各種匹配色，然后把在視覺上相同的匹配色坐標(biāo)點(diǎn)繪制在CIE-1931-XYZ色度圖上。

MacAdam的實(shí)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)各匹配色坐標(biāo)點(diǎn)圍繞目標(biāo)色中心點(diǎn)呈橢圓形分布，而且這25個橢圓的大小、方向以及長短軸之比都各不相同，后人稱這些橢圓為麥克亞當(dāng)橢圓?？紤]到測試設(shè)備誤差、觀察者人眼的視覺特性差異、觀察者主觀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是很困難的，所以在確定橢圓邊界時，借鑒了統(tǒng)計學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)差(均方差)概念，把圍繞橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)(目標(biāo)色)一個標(biāo)準(zhǔn)差的色坐標(biāo)點(diǎn)當(dāng)作視覺上無顏色差異的橢圓邊界。根據(jù)這25個橢圓的參數(shù)，采用數(shù)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(dāng)橢圓參數(shù)。

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

在繪制橢圓時，通常采用橢圓方程的極坐標(biāo)表達(dá)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，通過極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的坐標(biāo)變換公式，可以求出對應(yīng)橢圓上一點(diǎn)的CCX和CCY坐標(biāo)，如公式(3)所示。

盡管CIE-1976-LUV色度系統(tǒng)和CIE-DE2000對色差計算描述更加詳盡，通過計算明度、色相、飽和度這三個參數(shù)來計算色差大小，通常應(yīng)用于較大色差的計算，例如在光源顯色性的計算時就采用CIE-1976-LUV色度系統(tǒng)。但對不同光源或不同燈具之間的光色差異來說，通常不考慮亮度(明度)參數(shù)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就采用SDCM色容差指標(biāo)，相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有GBT 10682-2010、IEC-60081-2010、ANSI C78-376-2001等。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了常見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(dāng)橢圓的中心點(diǎn)、橢圓長軸和短軸、橢圓的傾斜角度、g??、2g??、g??等形式給出。GBT 10682和IEC 60081規(guī)定了熒光燈的光色差異應(yīng)該小于5個色容差距離，而ANSI C78-376則規(guī)定熒光燈的光色差異應(yīng)小于4個色容差距離。

在熒光燈色容差規(guī)定的基礎(chǔ)上，ANSI C78-377-2008規(guī)定了LED光源的色度標(biāo)準(zhǔn)，而該標(biāo)準(zhǔn)主要強(qiáng)調(diào)了CCT和DUV指標(biāo)，對麥克亞當(dāng)橢圓的參數(shù)沒做出具體規(guī)定。對LED照明的從業(yè)者來說，要直觀地理解色坐標(biāo)和色溫參數(shù)，尤其是直觀地理解DUV指標(biāo)是很困難的。而對照明行業(yè)的終端客戶來說，更是無法理解或接受這些專業(yè)術(shù)語。

如能采用色容差指標(biāo)來評價LED光色差異，就簡單許多，也更容易理解許多。只需要知道一個中心點(diǎn)坐標(biāo)，其余顏色的色坐標(biāo)距離這個中心點(diǎn)的色容差距離不僅容易計算，而且對照明行業(yè)的終端客戶來說，理解色容差距離比理解色坐標(biāo)、色溫及DUV要容易得多。如果廣大終端客戶能正確地理解色容差距離，他們必將成為一股強(qiáng)有力的監(jiān)督力量，以推動整個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芯片封裝廠商一般都按照ANSI C78-377有關(guān)色度的規(guī)定，在25℃結(jié)溫、標(biāo)稱驅(qū)動電流的條件下，在CIE-1931-XYZ色度圖上距離ANSI中心點(diǎn)7個色容差距離的范圍內(nèi)，把LED芯片(燈珠)劃分成6—16個不同的顏色餅(Color Bin)。但在LED燈具制造行業(yè)里，目前尚無相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其色容差距離。由于LED結(jié)溫升高、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動電流改變等諸多因素影響，導(dǎo)致LED成品燈具的色坐標(biāo)距離ANSI C78-377規(guī)定的中心坐標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。

圖1示意了某樣品燈具的色溫漂移過程，該燈具選用了NICHIA NF2L757ART芯片，LED樣品芯片的色坐標(biāo)(出廠分餅時的色坐標(biāo))位于圖中的點(diǎn)A處(距離ANSI中心點(diǎn)坐標(biāo)約一個色容差距離)，從LED芯片到成品燈具，其色坐標(biāo)分別經(jīng)歷了測試設(shè)備誤差、回流焊、驅(qū)動電流改變、燈具光學(xué)系統(tǒng)吸收部分光譜能量、結(jié)溫上升等漂移過程，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的交點(diǎn)，而且樣品芯片分餅時的色坐標(biāo)平均分布在該陰影四邊形內(nèi)。

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

圖1

從圖1看出，燈具廠商測試的成品燈具色坐標(biāo)點(diǎn)F已經(jīng)瀕臨ANSI C78-376規(guī)定的4個色容差距離的邊緣。如在LED燈具設(shè)計時選取NICHIA中間四個顏色分餅范圍內(nèi)的LED芯片(即：圖1所示的四個顏色分餅)，將會有50%以上的成品燈具超出了ANSI規(guī)范的規(guī)定。如果不采取顏色控制措施，或選取NICHIA外圍12個顏色分餅中的某些LED芯片，其成品燈具的色坐標(biāo)距離ANSI規(guī)定的中心點(diǎn)將超過9個色容差距離。

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

減小LED燈具色容差距離的措施

1 混色法

混色法是指LED燈具制造廠商從LED芯片封裝廠的顏色分餅中挑選兩個或兩個以上顏

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(biāo)距離ANSI中心點(diǎn)的色容差距離滿足設(shè)計要求?；焐▽儆谝环N很常見的方法，但從實(shí)際工程案例來看，常受到以下幾個因素的限制：

① 來自不同顏色餅的LED芯片或芯片組需要并聯(lián)時，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，容易出現(xiàn)LED封裝廠的產(chǎn)能分布與混色方案的顏色餅分布不相符的情況，可能導(dǎo)致某些顏色餅供貨不足而某些顏色餅庫存過多的問題。

③ 顏色分餅過多，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，但同時也導(dǎo)致生產(chǎn)工藝和倉管等成本更高。

④ 混色芯片過多，限制了電路設(shè)計的靈活性，也增加芯片封裝廠的難度。一般來說，兩顆混色比較簡單實(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(biāo)(圖中加粗四邊形內(nèi))控制在2個色容差距離的橢圓內(nèi)(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(biāo)控制在3個色容差距離的橢圓內(nèi)。

2 調(diào)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(biāo)到ANSI中心點(diǎn)只有2～3個色容差距離，但考慮到圖1的顏色漂移過程后，LED燈具的熱穩(wěn)狀態(tài)的色坐標(biāo)將在圖2或圖3的基礎(chǔ)上再往左下角方向漂移約3個色容差距離，即：所有LED燈具距離ANSI中心約2-4個色容差距離(對圖2來說)或0-6個色容差距離(對圖3來說)。如果LED芯片封裝廠能夠通過調(diào)整熒光粉配比，按照相反的方向(朝右上角方向)移動其分餅時的色坐標(biāo)中心點(diǎn)，則可抵消燈具制造所帶來的色坐標(biāo)漂移影響。

3 熱態(tài)分餅法

從圖1看出，因結(jié)溫升高導(dǎo)致的色坐標(biāo)漂移量是最大的，如果LED芯片封裝廠提高顏色分餅時的工作結(jié)溫，使之與燈具熱穩(wěn)態(tài)時的工作結(jié)溫相等或相近，則LED燈具成品的色坐標(biāo)距離ANSI中心的色容差距離就會減小很多。

結(jié)束語 色差問題在LED照明行業(yè)里一直存在，如何科學(xué)有效地解決色差問題，正考驗著相關(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芯片廠商和燈具制造廠商的緊密配合，高要求的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺，檢測機(jī)構(gòu)和檢測設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)更新，終端客戶的廣泛參與和監(jiān)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(biāo)同更常見的色溫、色坐標(biāo)、DUV指標(biāo)相比，要直觀而容易理解，如該指標(biāo)能在我國LED照明領(lǐng)域得以推廣，或許出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以限制固定色溫的LED燈具的色坐標(biāo)距離ANSI中心不得超過4～5個色容差距離，那必將對整個LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極作用。