半導(dǎo)體照明器件色度參數(shù)在線快速評估方法

汪立文，王瀟瀟，萬蘊(yùn)杰

(1.廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東 廣州 510010; 2.廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東 廣州 510010)

引言

色差常用于表征照明產(chǎn)品的空間顏色分布均勻性、壽命期間內(nèi)的色漂以及批次產(chǎn)品的顏色一致性等性能，對半導(dǎo)體照明器件、照明產(chǎn)品的照明質(zhì)量、產(chǎn)品分選以及壽命評價均具有重要意義。本文適用于普通照明用的發(fā)光二極管(簡稱LED)作為光源的半導(dǎo)體照明器件色差一致性在線快速評估方法，不包括有機(jī)發(fā)光二極管(簡稱OLED)作為光源的半導(dǎo)體照明器件。

LED由于它發(fā)光效率高、可做成多種形狀和多種色彩等特點，已在照明、裝飾以及醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，已引起科技界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注, 成為半導(dǎo)體領(lǐng)域新崛起的研究熱點。關(guān)于LED光源色度指標(biāo), 國內(nèi)外都展開了大量的研究，LED色度指標(biāo)是照明光源最基本最重要的性能指標(biāo)之一。如果不能科學(xué)合理地解決檢測色差問題，高品質(zhì)半導(dǎo)體照明無從談起。本文研究單管白光半導(dǎo)體照明器件色溫與色品坐標(biāo)要求，半導(dǎo)體照明器件之間色容差、色差要求，給出相應(yīng)的半導(dǎo)體照明器件色度參數(shù)在線快速評估方法。

1 色度參數(shù)的計算方法及相應(yīng)要求

在點亮被測器件后，測量每個波長時的光譜功率數(shù)值，即為光譜功率分布，取峰值波長時的光譜功率值為100%，即可獲得相對光譜功率分布p(λ)。由p(λ)數(shù)據(jù)按下述公式(1)、(2)、(3)計算得到三刺激值X、Y、Z。

(1)

(2)

(3)

再按下述公式(4)、(5)、(6)、(7)計算得到CIE1931色度系統(tǒng)色品坐標(biāo)x、y。

(4)

(5)

(6)

x+y+z=1

(7)

利用公式(8)、(9)可以從 CIE 1931 色品坐標(biāo)x、y求出 CIE 1976UCS 色品圖上的色品坐標(biāo)u′、v′。

(8)

(9)

色度坐標(biāo)(x,y)的初始值距離標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)應(yīng)在5SDCM之內(nèi)，即色容差不大于5SDCM，色容差值應(yīng)滿足廠家標(biāo)稱的值。

g11Δx2+2g12ΔxΔy+g22Δy2=(SDCM)2

(10)

式中：Δx為x相對于目標(biāo)坐標(biāo)值的誤差；Δy為y相對于目標(biāo)坐標(biāo)值的誤差；g11g12g22為由標(biāo)準(zhǔn)顏色確定的系數(shù)，見表1。

熒光燈的6個相關(guān)色溫的麥克亞當(dāng)橢圓并不能完全表達(dá)宣稱色溫各異的各類半導(dǎo)體照明器件的色差范圍，對于白光區(qū)域，在該6個CCTs以外的制定宣稱色溫，其各階麥克亞當(dāng)橢圓需要根據(jù)中心點以及麥克亞當(dāng)測量得到的25個原橢圓數(shù)據(jù)差值得到，但這些差值公式目前在任何國際標(biāo)準(zhǔn)中沒有相應(yīng)定義，且即使規(guī)定差值公式，在實際應(yīng)用中也很復(fù)雜，不方便使用。

表1 標(biāo)準(zhǔn)顏色系數(shù)Table 1 Standard color coefficient

在評價空間顏色均勻性時，建議在均勻色空間(u，v)中計算的距離，用Δu′v′表示，并不鼓勵使用SDCM。在CIE1976 色坐標(biāo)體系中, 顏色的偏差用色差Δu′v′來定量描述。色差Δu′v′由式(11)給出，由任意一只半導(dǎo)體照明器件的CIE 1976 UCS 色品坐標(biāo)(u′,v′)可求出色差，其中色差計算的參照色坐標(biāo)為廠家標(biāo)稱色坐標(biāo)或指定參照色坐標(biāo)。

(11)

白光半導(dǎo)體照明器件相關(guān)色溫(CCT)和色品坐標(biāo)應(yīng)滿足表1的要求。表2中列出了8個推薦色調(diào)的白光半導(dǎo)體照明器件所對應(yīng)的標(biāo)稱CCT、中心色品坐標(biāo)(x,y)色溫允許范圍和色品坐標(biāo)允許范圍。除表1規(guī)定的8個標(biāo)稱色溫之外的半導(dǎo)體照明器件為非標(biāo)半導(dǎo)體照明器件。

ANSI在原麥克亞當(dāng)橢圓色差表示方式的基礎(chǔ)上，于2011年推出ANSI C78.377，以8個標(biāo)稱CCT和100K間隔的可變CCT的四邊形區(qū)域替代SDCM色差表示方法，并用于評價固態(tài)照明產(chǎn)品的色差范圍。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，四邊形與黑體軌跡相平行的兩條邊并非直線，而應(yīng)具有與黑體軌跡相似的曲線，這對各階四邊形及可變四邊形繪制應(yīng)用來說，仍較為復(fù)雜。

白光半導(dǎo)體照明器件的平均顏色不均勻性不超過標(biāo)稱值，如無標(biāo)稱值，則用以表示平均顏色不均勻性的CIE1976色品坐標(biāo)差值Δu′和Δv′均不超過0.006。非標(biāo)白光半導(dǎo)體照明器件色坐標(biāo)的允許范圍為(Duv±0.006)。由CIE1960UCS色品圖的特性可知，該Duv的計算從數(shù)學(xué)角度可表述為在CIE1960UCS色品圖上待測光源的色坐標(biāo)點A到黑體輻射曲線的最短距離。

對于非標(biāo)半導(dǎo)體照明器件，其實際相關(guān)色溫值與標(biāo)稱值T的偏差允許范圍應(yīng)小于公式(12)計算值ΔT:

ΔT=0.0000108×T2+0.0262×T+8

(12)

式中，ΔT為實際相關(guān)色溫值與標(biāo)稱值T的偏差允許范圍；T為相關(guān)色溫標(biāo)稱值。

非標(biāo)白光半導(dǎo)體照明器件的中心色坐標(biāo)點位于相關(guān)色溫標(biāo)稱值T的等溫線上，在CIE1976色坐標(biāo)系統(tǒng)中，Duv值計算方法如公式(13)：

Duv=57700×(1/T)2-44.6×(1/T)+0.0085

(13)

式中：Duv——與CIE1976色坐標(biāo)系統(tǒng)(u′,2/3v′)色坐標(biāo)系統(tǒng)中的普朗克曲線的距離；

T——相關(guān)色溫標(biāo)稱值。

表2 白光半導(dǎo)體照明器件初始色度特性要求Table 2 Initial chromatic requirement of W-LED

該Duv的計算公式只能用來計算目標(biāo)色溫所對應(yīng)的色坐標(biāo)的Duv值，而不能用實際產(chǎn)品的色溫來計算相應(yīng)的Duv。如《輻射度光度與色度及其測量》中所述，CCT的定義以及計算只適用于色坐標(biāo)偏離黑體軌跡約±15個麥克亞當(dāng)橢圓的閾值范圍內(nèi)白光光源。

2 在線快速評估一般要求

測量應(yīng)在環(huán)境溫度為25℃±1℃，無對流風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行，測量時半導(dǎo)體照明器件的周圍無明顯可察覺的空氣流動(半導(dǎo)體照明器件處于靜態(tài)時周圍空氣的自然對流除外)。測量應(yīng)在最大相對濕度為65%的環(huán)境中進(jìn)行。

使用直流電流源對半導(dǎo)體照明器件供電，電流大小為半導(dǎo)體照明器件的額定正向電流，如額定正向電壓為一個范圍，則在額定正向電流下工作的半導(dǎo)體照明器件的正向電壓實際值應(yīng)在額定正向電壓的范圍內(nèi)。

直流電流源的穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于0.1%，紋波系數(shù)應(yīng)小于0.5%。直流穩(wěn)流電源的最大輸出電壓和輸出電流均應(yīng)分別不小于工作電流和工作電壓的1.2倍，電測儀表具有直流電流/電壓測量功能，量程符合測量要求，準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1%。

半導(dǎo)體照明器件應(yīng)在制造商或銷售商標(biāo)稱的最大允許電流/電壓下能夠正常工作至少1min,且在回復(fù)額定工作狀態(tài)后，其色差滿足本文要求。

測量設(shè)備要求如下：光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈的性能應(yīng)符合JJG 384—2002的規(guī)定，分布(顏色)溫度標(biāo)準(zhǔn)燈的性能應(yīng)符合JJG 213—2003的規(guī)定，并在有效檢定期內(nèi)。

積分球與光譜輻射計結(jié)合稱為積分球光譜輻射計。積分球應(yīng)滿足GB/T 4057—2010中6.2.6的要求，光譜輻射計應(yīng)滿足GB/T 4057—2010中6.2.5的要求，光譜輻射計的光譜輻射強(qiáng)度或光譜輻射照度用滿足測量要求的光譜輻射強(qiáng)度或照度標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)，經(jīng)校準(zhǔn)后，其色品坐標(biāo)(x,y)測量準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.003，穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)光源下分辨率優(yōu)于±0.0002。 光譜輻射計除具備測量光譜功率分布值功能外，還應(yīng)具備測量色差值的功能，波長范圍為380 nm～780 nm，波長準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5 nm，光譜帶寬≤5 nm。用白熾燈作光源，設(shè)定單色儀的波長為450 nm，在入射光的光路上插入截止波長為500.5 nm±0.5 nm的玻璃濾色片，此時雜散光的輸出信號應(yīng)為未插入濾色片時光輸出信號的0.01以內(nèi)，探測器應(yīng)在線性范圍內(nèi)工作，測量光重復(fù)性應(yīng)在1%以內(nèi)。

3 在線快速評估方法

在規(guī)定的工作條件下，測量被測半導(dǎo)體照明器件之間的色差，步驟如下：

1)使用光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈或分布顏色溫度標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)光譜輻射計，用普通照明用LED標(biāo)準(zhǔn)燈或LED標(biāo)準(zhǔn)管、分布顏色溫度標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)積分球光譜輻射計；

注：用同類型的標(biāo)準(zhǔn)LED模塊作為標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)積分球光譜輻射計，以得到較好的測量不確定度。如用普通白熾燈或鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)燈，則必須要設(shè)法消除因發(fā)光光譜、尺寸、外形發(fā)光光束形狀和發(fā)光顏色分布不均勻性等因素所帶來的誤差，詳見GB/T 24824中所述。

2)根據(jù)光譜輻射計校準(zhǔn)波長范圍選擇適宜的波長校準(zhǔn)光源。一般選用低壓汞燈或汞氬燈為標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行波長校正；

3)在光譜范圍內(nèi)按照要求的波長間隔調(diào)整單色儀的波長，被測半導(dǎo)體照明器件位于積分球光譜輻射計的積分球中心或圖1中的位置，在取樣測量中保持完全靜止?fàn)顟B(tài)；

4)被測半導(dǎo)體照明器件安裝在自動移動平臺上，在點亮被測器件后，測量每個波長的光譜功率數(shù)值，即為光譜功率分布，取峰值波長的光譜功率值為100%，即可獲得相對光譜功率分布p(λ)；

5)轉(zhuǎn)動自動移動平臺測量其他的半導(dǎo)體照明器件，按GB/T 7922、GB/T 5702或CIE 15:2004推薦的方法，儀器軟件計算被測半導(dǎo)體照明器件的平均顏色參數(shù)和色差。(注：色容差的中心點應(yīng)為ANSI C78.377、能源之星要求的中心點時，再測試讀取色容差值。)

光譜輻射計的入射多采用輻照度模式，照圖1 所示可以有四種安排。如圖1(a) 所示積分球光譜輻射計采用總光通量法測量色差值；圖(b)用帶有漫透射器的光纖為輸入光路；(c)中，光源發(fā)出的光照射到漫反射器上，再被光譜輻射計接收；圖(d)用一開口的小積分球接收入射輻射，積分球另一開口對著光譜輻射計的入射狹縫。一般兩個開口相距90°，積分球直徑約為50mm。如果為白光半導(dǎo)體照明器件，色差建議用(a)、(d)方法測量。

圖1 光譜輻射計的輸入光路Fig.1 The input light geometry for irradiance mode spectroradiometer

實現(xiàn)LED的在線測試，在硬件上必須滿足在對LED進(jìn)行輸送時能實現(xiàn)凌亂LED的自動排隊，該系統(tǒng)實際是LED測試自動生產(chǎn)流水線，它由LED基本輸送裝置(圓盤振動輸送機(jī)、直線振動輸送機(jī))、等間隔喂入裝置、送料裝置、通電夾緊裝置和測試儀組成。我們采用高精度快速光譜輻射計可以實現(xiàn)快速測量色度參數(shù)。

4 結(jié)束語

色差問題在半導(dǎo)體照明行業(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LED芯片廠和半導(dǎo)體照明器件廠商的緊密配合，熒光粉制造工藝、光學(xué)材料等技術(shù)改良或更新，高要求的標(biāo)準(zhǔn)出臺，檢測機(jī)構(gòu)對檢測技術(shù)指標(biāo)的更新，客戶的廣泛參與和監(jiān)督等諸多其他方面的配合。本文介紹的色度參數(shù)在線快速評估方法，將在半導(dǎo)體照明行業(yè)起到極其重要的作用。對此，我們將在今后的工作中進(jìn)行進(jìn)一步的探索和研究。

[1] 光源顯色性評價方法：GB/T 5702—2003[S].

[2] 均勻色空間和色差公式：GB/T 7921—2008[S].

[3] 顏色的表示方法：GB/T 3977—2008[S].

[4] 照明光源顏色的測量方法:GB/T 7922—2008[S].

[5] 普通照明用發(fā)光二極管性能要求:QB/T 4057—2010[S].

[6] 雙端熒光燈 性能要求:GB/T 10682—2010[S].

[7] 黃艷等. CIE關(guān)于光源色差的最新技術(shù)注解解讀[J]. 照明工程學(xué)報, 2013,24(6) :42-44.

[8] 普通照明用LED模塊測試方法:GB/T 24824—2009[S].

[9] 半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法:SJ/T 11394—2009[S].

[10] 半導(dǎo)體照明術(shù)語:SJ/T 11395—2009[S].

[11] LED的測量(MEASUREMENT OF LEDS):CIE 127—2007[S].

[12] 一般照明用LED模塊性能要求:IEC/PAS 62717[S].

[13] Janos Schanda. Colorimetry-Understandin g the CIE system[M].John Wiley & Sons, Inc.,2007.

[14] 荊其誠, 焦書蘭, 喻柏林,等. 色度學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社, 1979.

[15] Double-capped fluorescent lamps-performance specifications：IEC 60081.Edition 5.1.2002.

[16] Specifications for the Chromaticity of Fluorescent Lamps:ANSIC 78.376[S].

[17] American National Standard for electric lamps-specifications for the Chromaticity of solid state lighting products:ANSIC 78.377[S].

[18] 金偉其，胡威捷.輻射度光度與色度及其測量[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.