半導體照明器件色度參數(shù)在線快速評估方法

汪立文，王瀟瀟，萬蘊杰

(1.廣州計量檢測技術研究院，廣東 廣州 510010; 2.廣東省建筑設計研究院，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)作為光源的半導體照明器件色差一致性在線快速評估方法，不包括有機發(fā)光二極管(簡稱OLED)作為光源的半導體照明器件。

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)療等領域廣泛應用，已引起科技界和產(chǎn)業(yè)界的極大關注, 成為半導體領域新崛起的研究熱點。關于LED光源色度指標, 國內(nèi)外都展開了大量的研究，LED色度指標是照明光源最基本最重要的性能指標之一。如果不能科學合理地解決檢測色差問題，高品質(zhì)半導體照明無從談起。本文研究單管白光半導體照明器件色溫與色品坐標要求，半導體照明器件之間色容差、色差要求，給出相應的半導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x、y求出 CIE 1976UCS 色品圖上的色品坐標u′、v′。

(8)

(9)

色度坐標(x,y)的初始值距離標準色度坐標應在5SDCM之內(nèi)，即色容差不大于5SDCM，色容差值應滿足廠家標稱的值。

g11Δx2+2g12ΔxΔy+g22Δy2=(SDCM)2

(10)

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

熒光燈的6個相關色溫的麥克亞當橢圓并不能完全表達宣稱色溫各異的各類半導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，其各階麥克亞當橢圓需要根據(jù)中心點以及麥克亞當測量得到的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準中沒有相應定義，且即使規(guī)定差值公式，在實際應用中也很復雜，不方便使用。

表1 標準顏色系數(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，由任意一只半導體照明器件的CIE 1976 UCS 色品坐標(u′,v′)可求出色差，其中色差計算的參照色坐標為廠家標稱色坐標或指定參照色坐標。

(11)

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

ANSI在原麥克亞當橢圓色差表示方式的基礎上，于2011年推出ANSI C78.377，以8個標稱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。該標準規(guī)定，四邊形與黑體軌跡相平行的兩條邊并非直線，而應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用來說，仍較為復雜。

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

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

ΔT=0.0000108×T2+0.0262×T+8

(12)

式中，ΔT為實際相關色溫值與標稱值T的偏差允許范圍；T為相關色溫標稱值。

非標白光半導體照明器件的中心色坐標點位于相關色溫標稱值T的等溫線上，在CIE1976色坐標系統(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色坐標系統(tǒng)(u′,2/3v′)色坐標系統(tǒng)中的普朗克曲線的距離；

T——相關色溫標稱值。

表2 白光半導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色溫所對應的色坐標的Duv值，而不能用實際產(chǎn)品的色溫來計算相應的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偏離黑體軌跡約±15個麥克亞當橢圓的閾值范圍內(nèi)白光光源。

2 在線快速評估一般要求

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

使用直流電流源對半導體照明器件供電，電流大小為半導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體照明器件的正向電壓實際值應在額定正向電壓的范圍內(nèi)。

直流電流源的穩(wěn)定度應優(yōu)于0.1%，紋波系數(shù)應小于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，準確度優(yōu)于0.1%。

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

測量設備要求如下：光譜輻照度標準燈的性能應符合JJG 384—2002的規(guī)定，分布(顏色)溫度標準燈的性能應符合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。積分球應滿足GB/T 4057—2010中6.2.6的要求，光譜輻射計應滿足GB/T 4057—2010中6.2.5的要求，光譜輻射計的光譜輻射強度或光譜輻射照度用滿足測量要求的光譜輻射強度或照度標準燈校準，經(jīng)校準后，其色品坐標(x,y)測量準確度優(yōu)于±0.003，穩(wěn)定的標準光源下分辨率優(yōu)于±0.0002。 光譜輻射計除具備測量光譜功率分布值功能外，還應具備測量色差值的功能，波長范圍為380 nm～780 nm，波長準確度優(yōu)于0.5 nm，光譜帶寬≤5 nm。用白熾燈作光源，設定單色儀的波長為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為未插入濾色片時光輸出信號的0.01以內(nèi)，探測器應在線性范圍內(nèi)工作，測量光重復性應在1%以內(nèi)。

3 在線快速評估方法

在規(guī)定的工作條件下，測量被測半導體照明器件之間的色差，步驟如下：

1)使用光譜輻照度標準燈或分布顏色溫度標準燈校準光譜輻射計，用普通照明用LED標準燈或LED標準管、分布顏色溫度標準燈校準積分球光譜輻射計；

注：用同類型的標準LED模塊作為標準燈校準積分球光譜輻射計，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準燈，則必須要設法消除因發(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)光譜輻射計校準波長范圍選擇適宜的波長校準光源。一般選用低壓汞燈或汞氬燈為標準光源進行波長校正；

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狀態(tài)；

4)被測半導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、直線振動輸送機)、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

色差問題在半導體照明行業(yè)里一直存在，如何科學有效地解決色差問題，正考驗著相關行業(yè)從業(yè)者的智慧，它不僅需要從業(yè)者掌握科學合理的方法，還需要LED芯片廠和半導體照明器件廠商的緊密配合，熒光粉制造工藝、光學材料等技術改良或更新，高要求的標準出臺，檢測機構(gòu)對檢測技術指標的更新，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行進一步的探索和研究。

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