LED燈具色容差的影響因素

曾天賜

(飛利浦燈具(上海)有限公司，上海 200233)

引言

鑒于照明的需求日益增長，應用市場上對LED燈具的光色品質的要求也越來越苛刻，其中對LED燈具色容差的要求也起來越高。但是燈具是由多種光學結構件組成，各個光學件的物理特性又會對光產生不同的影響。因此，我們要對整個光學系統做分析，以提高整個光學系統的光品質，同時也是作為光學件的生產管控依據，降低其不良率。近十年來，人們在照明領域里一直努力的想提高其色品性能，顏色一致性是色光和白光LED光質的一項指標。國際照明委員會(CIE)于1931年制定了顏色空間圖，相對色溫(CCT)的標準定義允許在CCT值相同的情況下色度很容易被觀察者分辨出的范圍內變化。顏色差異變得可見的閾值由MacAdam橢圓定義。在顏色空間上繪制的MacAdam橢圓的中心點處的顏色與其邊緣上任一點的顏色之間具有一定的偏差。目前主要的色容差標準主要有IEC 60081，ANSI C78.377。

在生產過程中LED在顏色、光通量、正向電壓方面呈現出多樣化特點，因此光源的生產商是選擇具有特定顏色，分多個級別設放市場的。光源做為燈具生產的原料之一，再配合光學件、驅動器和結構件，這些材料的本質特性都會影響到光源最終的出光顏色。本文基于此系統框架，從多方面探討產生的色漂成因，以及如何用經濟方案生產低色容差的燈具。

1 結構對LED燈具色容差的影響

面板燈是一種常見的室內照明燈具，其特點是產品的厚度比較薄，發光面比較大，且發光面的出光效果比較均勻、柔和。

用導光板發光這種方式最早是用于筆記本電腦液晶顯示屏的背光照明。它的工作原理是利用P透明導光板將由冷陰極熒光管線光源發出的純色白光，從透明板端面導入并擴散到整個板面，當光照射到導光板背面印刷的白色反光點時發生漫反射，從與光源入射面垂直的板面(工作面)射出。導光板照明通過巧妙運用光在透明板界面上全反射的原理，將端面射入的光偏轉90°，從正面射出，從而起到照明的作用。其中導光板是PMMA、PC或PS等透明塑料板材，在板材的一面用激光打上凹坑或是絲印上二氧化鈦(TiO2)和硫酸鋇(BaSO4)混合丙烯基粘合劑組成的油墨，此作用是增加光的折射，將更多的光反射到出光面。

面板燈正是利用了顯示屏的背光原理，在導光板的背面增加反射紙，以減少光損失，并在發光面增加了擴散板，以改善發光的均勻性。如圖1所示，反射紙、導光板、擴散板構成了面板燈的主要光學部件。

圖1 面板燈結構Fig.1 Panel architecture

2 LED燈具散熱對色容差的影響

如果我們希望燈具的使用壽命及光通量符合要求，就必須要求LED燈具的結溫在一定范圍內。如圖2所示，LED需要把芯片上的熱導出來，其光電轉換效率才能提高。為此LED光源的熱沉、印刷層是LED散熱的主要考慮途徑。

圖2 LED熱傳遞模式Fig.2 Heat transfer mode

圖3是白光LED(10 cd)的發光頻譜與溫度的關系曲線，20 ℃時藍光LED的波長最大值為465 nm。波長555 nm的黃光是由具有150 nm發光幅度的YAG:Ce3+離子(5d→4f)所構成的。YAG:Ce3+的發光激發波長設于460 nm，隨著溫度上升，465 nm最大發光激發波長會遷移到長波長區段。555 nm的黃光波長區段則幾乎不會有遷移現象，但發光強度會急劇下降。其主要原因是溫度上升后藍光LED的最大發光波長遷移到長波長區段，YAG:Ce激發區段的共鳴位置依次偏移，造成發光強度隨之下降。由于白光LED的發光特性受到溫度影響，因此溫度若超過50 ℃時黃光發光強度會急劇下降，白光的顯色性變差，色度則大幅偏移。如圖4所示，為溫度變化時色度的漂移現象，當LEDTj溫度上升時，其色度向高色溫偏移。

圖3 白光LED(10 cd)的發光頻譜與溫度的關系曲線Fig.3 Spectrum and Tj curves of white LED (10 cd)

圖4 溫度變化產生的色漂移Fig.4 Tj variation to cause color offset

LED的發光材料對溫度依賴特性很顯著，隨著發光溫度的上升，發射光譜紅移，發射峰變寬，在達到某個溫度時發生猝滅。圖5為Sr2SiO4:Eu2+在不同溫度的光譜功率分布圖，與前面的發射光譜分析一致：隨溫度升高，Sr2SiO4:Eu2+的色坐標移向紅區，如溫度從90 K變化到400 K，藍光的發射峰從469 nm紅移到480 nm，綠光的發射峰從546 nm變化到555 nm。另一方面，其發射光譜峰的半高寬也隨溫度上升而變化(從90 K到400 K)，藍光的半高寬從40 nm增加到57 nm；綠光的半高寬從65 nm增加到100 nm。在溫度達到360 K時綠光即猝滅，溫度達到400 K時藍光猝滅。

3 LED正向電流對色溫的影響

根據白光LED的發光光譜(400 nm紫外芯片)，其顯色指數為85，比YAG的顯色指數82要高。圖6在不同驅動電流(20 mA、30 mA、40 mA、50 mA、60 mA)下，Ba3MgSi2O8∶0.075Eu2+，0.05Mn2++紫外LED芯片的色溫從5 200 K增加到6 000 K；而YAG∶Ce3++藍光LED的色溫從6 500 K增加到9 000 K。Ba3MgSi2O8∶0.075Eu2+，0.05Mn2++紫外LED芯片的發光顏色穩定性更高。

圖5 不同溫度的光譜功率分布圖Fig.5 Spectral radiant distribution and Tj curves

圖6 驅動電流產生的色漂現象Fig.6 If and color offset curves

以LED面板燈的結構來看，恒流輸出的驅動電流為700(1±10%) mA，在光學組件不變的情況下，正向電流對LED光通量和色漂移的影響情況如表1所示，電流變化±10%，光通量變化±9%，色容差變化±0.1。

表1 輸入電流與色漂的測試結果

4 光學材質對色漂移的影響

材料的吸收系數與波長相關，同一材料的吸收率隨波長變化的情況稱為“選擇吸收”。光可以看成是量子化的粒子流，材料的能量狀態也是量子化的。當光波射入介質時，介質的電子在光波場的作用下發生受迫振動。常態下電子的固有頻率與光波的頻率是不同的，但是如果他們剛好相等，將發生共振輻射，使得電子振動的振幅加大，于是頻率相同的光波被電子所吸收，材料中的電子從較低能態躍遷到較高能態。不同能態的躍遷可以吸收不同波長的光子，形成吸收光譜的復雜結構。不同介質吸收光譜的特點不一樣，吸收系數隨光波的變化而變化。圖7為經典色散理論推得的折射率與吸收系數曲線。

圖7 折射率與吸收系數曲線Fig.7 Refractive index-Absorption coefficient curves

圖8 反射紙對色漂的影響Fig.8 Reflector-Color offset curves

1)反射紙對色漂的影響。反射紙在照明應用中主要是提高漫反射率，減少光的損失。圖8是幾種反射紙對LED光源的反射情況，不同品牌的光源、不同色溫的光源，各色域的光譜峰值不同；而反射紙因原材料和制程的不同，對不同的光譜吸收的程度也不同。疊加兩種特征曲線后，可見當LED光線經過反射紙反射后，會顯現不同程度的影響。如圖三種反射紙中，B#反射紙對藍光吸收比較小，但對綠光的吸收卻是最大的，因此LED的發射光譜峰的半高寬也會產生位移，色溫隨之產生變化。因此在選定LED光源后，需根據反射紙對光波的吸收特性來選用反射紙的材質。

2)擴散板對光漂移的影響。擴散板在LED面板上主要是將光線打散，讓光線改變路徑產生漫反射，以此來提高光的均勻性。圖9為不同的擴散板對色漂移的影響情況。擴散板的原料市場比較雜多，不同于導光只有幾個大的原材料供應商，它的原料多，而且品質參差不齊，添加劑沒有規范，因此，擴散板需管控好原材料的來源及生產工藝。

圖9 擴散板對光漂移的影響Fig.9 A connection between Diffuser and Color offset

5 LED整燈光學系統對色漂移的影響

由圖10可以看到整個照明燈具色漂的情況。燈具的色漂可以分為幾個部分的共同疊加作用。一個是光源部分，光源到生產過程中，其封芯片的波長經濟型的多用7.5step和5step，當其激發熒光粉時，就會產生色漂移了。再次，光源加上光學件后，因光學件的影響，其色漂也會顯現出來。再者，燈具從瞬態到穩態，其色坐標會偏移。因此說燈具的色漂移，是一個多因素疊加影響的過程，我們在研究其影響的原因后，可以綜合的把色坐標修正到理想的的色坐標點。

圖10 整燈光學系統對色漂移的影響Fig.10 A connection between Optical system and Color offset

6 結語

基于本文的研究，為把LED燈具的最終色標點做到理論設計值，改進工藝如下。首先，由于光源會因溫度產生色漂，因此，我們需將光源的分Bin方法做修正，即光源的分Bin溫度應靠近于實際應用的溫度。例如，面板燈的外殼為鋁合金Al6063 T5，其導熱系數為209 W/(m·K)，光源板為鋁基板，整燈功率40 W，采用2835光源，測得光源Ts溫度為55 ℃,其結構滿足散熱效果。此前，LED球泡的市場需求量占了很大的比重，光源廠家的LED供貨也是針對球泡燈的實際應用在開發自己的產品規格，而LED球泡因價格競爭激烈，大多數將光源的Tj溫度應用在90～105 ℃之間，因此LED光源的分Bin為85 ℃的熱態分Bin。為此，我們需要將分Bin改為冷態25 ℃分Bin，減少了熱漂程度。其次，應修正光源分Bin中心坐標點。根據項目選用光學三件套后，測得其三件套的色漂程度，將色漂的坐標點提供給光源廠家重新修正光源色坐標，將光源的色坐標移位后，使量產可以達到3 step以內的色容差；另一方面將光學件的材質特性做分析，并對其原材料做管控，控制其原材料的一致性，不可再添加其他添加劑，不可用回料生產，穩定其光

學三件套所具有的色容差。經過這些方面的措施，生產出來的產品可以在達到5step以內或更高要求的色容差，基本滿足客戶的市場需求。當后續LED燈具產品的需求再次提高，可以將LED光源做2 step分Bin，生產時再上下混Bin的方式來生產，可以進一步的改善色容差。

[1] 郭浩中，賴芳儀，郭守義.LED原理與應用[M].北京：化學工業出版社，2013.

[2] 肖志國.半導體照明發光材料及應用[M].北京：化學工業出版社，2014.

[3] 鄭冀，梁輝，馬衛兵，等.材料物理性能[M].天津：天津大學出版社，2008.

[4] 周志敏，紀愛華.大功率LED照明技術設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2011.

[5] 北京照明學會照明設計專業委員會.照明設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2016.

[6] Weinert Jonathan.Philips Color Kinetics. LED Lighting Explained[Z]. Shanghai:PHILIPS,2014.

[7] KHAN M Nisa.精通LED照明[M].鄭曉東，金如翔，呂瑋閣，等譯.北京：機械工業出版社，2017.

[8] 楊萬泰.聚合物材料表征與測試[M].北京：中國輕工業出版社，2008.

[9] 高智勇,隋解和,孟祥龍.材料物理性能及其分析測試方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2015.