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(zhǎng)，應(yīng)用市場(chǎng)上對(duì)LED燈具的光色品質(zhì)的要求也越來(lái)越苛刻，其中對(duì)LED燈具色容差的要求也起來(lái)越高。但是燈具是由多種光學(xué)結(jié)構(gòu)件組成，各個(gè)光學(xué)件的物理特性又會(huì)對(duì)光產(chǎn)生不同的影響。因此，我們要對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)做分析，以提高整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光品質(zhì)，同時(shí)也是作為光學(xué)件的生產(chǎn)管控依據(jù)，降低其不良率。近十年來(lái)，人們?cè)谡彰黝I(lǐng)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(zhì)的一項(xiàng)指標(biāo)。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)于1931年制定了顏色空間圖，相對(duì)色溫(CCT)的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)變化。顏色差異變得可見(jiàn)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(diǎn)處的顏色與其邊緣上任一點(diǎn)的顏色之間具有一定的偏差。目前主要的色容差標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC 60081，ANSI C78.377。

在生產(chǎn)過(guò)程中LED在顏色、光通量、正向電壓方面呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)，因此光源的生產(chǎn)商是選擇具有特定顏色，分多個(gè)級(jí)別設(shè)放市場(chǎng)的。光源做為燈具生產(chǎn)的原料之一，再配合光學(xué)件、驅(qū)動(dòng)器和結(jié)構(gòu)件，這些材料的本質(zhì)特性都會(huì)影響到光源最終的出光顏色。本文基于此系統(tǒng)框架，從多方面探討產(chǎn)生的色漂成因，以及如何用經(jīng)濟(jì)方案生產(chǎn)低色容差的燈具。

1 結(jié)構(gòu)對(duì)LED燈具色容差的影響

面板燈是一種常見(jiàn)的室內(nèi)照明燈具，其特點(diǎn)是產(chǎn)品的厚度比較薄，發(fā)光面比較大，且發(fā)光面的出光效果比較均勻、柔和。

用導(dǎo)光板發(fā)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(dǎo)光板將由冷陰極熒光管線光源發(fā)出的純色白光，從透明板端面導(dǎo)入并擴(kuò)散到整個(gè)板面，當(dāng)光照射到導(dǎo)光板背面印刷的白色反光點(diǎn)時(shí)發(fā)生漫反射，從與光源入射面垂直的板面(工作面)射出。導(dǎo)光板照明通過(guò)巧妙運(yùn)用光在透明板界面上全反射的原理，將端面射入的光偏轉(zhuǎn)90°，從正面射出，從而起到照明的作用。其中導(dǎo)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(dǎo)光板的背面增加反射紙，以減少光損失，并在發(fā)光面增加了擴(kuò)散板，以改善發(fā)光的均勻性。如圖1所示，反射紙、導(dǎo)光板、擴(kuò)散板構(gòu)成了面板燈的主要光學(xué)部件。

圖1 面板燈結(jié)構(gòu)Fig.1 Panel architecture

2 LED燈具散熱對(duì)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(jié)溫在一定范圍內(nèi)。如圖2所示，LED需要把芯片上的熱導(dǎo)出來(lái)，其光電轉(zhuǎn)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(fā)光頻譜與溫度的關(guān)系曲線，20 ℃時(shí)藍(lán)光LED的波長(zhǎng)最大值為465 nm。波長(zhǎng)555 nm的黃光是由具有150 nm發(fā)光幅度的YAG:Ce3+離子(5d→4f)所構(gòu)成的。YAG:Ce3+的發(fā)光激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)于460 nm，隨著溫度上升，465 nm最大發(fā)光激發(fā)波長(zhǎng)會(huì)遷移到長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)段。555 nm的黃光波長(zhǎng)區(qū)段則幾乎不會(huì)有遷移現(xiàn)象，但發(fā)光強(qiáng)度會(huì)急劇下降。其主要原因是溫度上升后藍(lán)光LED的最大發(fā)光波長(zhǎng)遷移到長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)段，YAG:Ce激發(fā)區(qū)段的共鳴位置依次偏移，造成發(fā)光強(qiáng)度隨之下降。由于白光LED的發(fā)光特性受到溫度影響，因此溫度若超過(guò)50 ℃時(shí)黃光發(fā)光強(qiáng)度會(huì)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(shí)色度的漂移現(xiàn)象，當(dāng)LEDTj溫度上升時(shí)，其色度向高色溫偏移。

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

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

LED的發(fā)光材料對(duì)溫度依賴特性很顯著，隨著發(fā)光溫度的上升，發(fā)射光譜紅移，發(fā)射峰變寬，在達(dá)到某個(gè)溫度時(shí)發(fā)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(fā)射光譜分析一致：隨溫度升高，Sr2SiO4:Eu2+的色坐標(biāo)移向紅區(qū)，如溫度從90 K變化到400 K，藍(lán)光的發(fā)射峰從469 nm紅移到480 nm，綠光的發(fā)射峰從546 nm變化到555 nm。另一方面，其發(fā)射光譜峰的半高寬也隨溫度上升而變化(從90 K到400 K)，藍(lán)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(dá)到360 K時(shí)綠光即猝滅，溫度達(dá)到400 K時(shí)藍(lán)光猝滅。

3 LED正向電流對(duì)色溫的影響

根據(jù)白光LED的發(fā)光光譜(400 nm紫外芯片)，其顯色指數(shù)為85，比YAG的顯色指數(shù)82要高。圖6在不同驅(qū)動(dòng)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(lán)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(fā)光顏色穩(wěn)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(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的色漂現(xiàn)象Fig.6 If and color offset curves

以LED面板燈的結(jié)構(gòu)來(lái)看，恒流輸出的驅(qū)動(dòng)電流為700(1±10%) mA，在光學(xué)組件不變的情況下，正向電流對(duì)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(cè)試結(jié)果

4 光學(xué)材質(zhì)對(duì)色漂移的影響

材料的吸收系數(shù)與波長(zhǎng)相關(guān)，同一材料的吸收率隨波長(zhǎng)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(tài)也是量子化的。當(dāng)光波射入介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的電子在光波場(chǎng)的作用下發(fā)生受迫振動(dòng)。常態(tài)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(fā)生共振輻射，使得電子振動(dòng)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(tài)躍遷到較高能態(tài)。不同能態(tài)的躍遷可以吸收不同波長(zhǎng)的光子，形成吸收光譜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不同介質(zhì)吸收光譜的特點(diǎn)不一樣，吸收系數(shù)隨光波的變化而變化。圖7為經(jīng)典色散理論推得的折射率與吸收系數(shù)曲線。

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

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

1)反射紙對(duì)色漂的影響。反射紙?jiān)谡彰鲬?yīng)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(duì)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(duì)不同的光譜吸收的程度也不同。疊加兩種特征曲線后，可見(jiàn)當(dāng)LED光線經(jīng)過(guò)反射紙反射后，會(huì)顯現(xiàn)不同程度的影響。如圖三種反射紙中，B#反射紙對(duì)藍(lán)光吸收比較小，但對(duì)綠光的吸收卻是最大的，因此LED的發(fā)射光譜峰的半高寬也會(huì)產(chǎn)生位移，色溫隨之產(chǎn)生變化。因此在選定LED光源后，需根據(jù)反射紙對(duì)光波的吸收特性來(lái)選用反射紙的材質(zhì)。

2)擴(kuò)散板對(duì)光漂移的影響。擴(kuò)散板在LED面板上主要是將光線打散，讓光線改變路徑產(chǎn)生漫反射，以此來(lái)提高光的均勻性。圖9為不同的擴(kuò)散板對(duì)色漂移的影響情況。擴(kuò)散板的原料市場(chǎng)比較雜多，不同于導(dǎo)光只有幾個(gè)大的原材料供應(yīng)商，它的原料多，而且品質(zhì)參差不齊，添加劑沒(méi)有規(guī)范，因此，擴(kuò)散板需管控好原材料的來(lái)源及生產(chǎn)工藝。

圖9 擴(kuò)散板對(duì)光漂移的影響Fig.9 A connection between Diffuser and Color offset

5 LED整燈光學(xué)系統(tǒng)對(duì)色漂移的影響

由圖10可以看到整個(gè)照明燈具色漂的情況。燈具的色漂可以分為幾個(gè)部分的共同疊加作用。一個(gè)是光源部分，光源到生產(chǎn)過(guò)程中，其封芯片的波長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)型的多用7.5step和5step，當(dāng)其激發(fā)熒光粉時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生色漂移了。再次，光源加上光學(xué)件后，因光學(xué)件的影響，其色漂也會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。再者，燈具從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)，其色坐標(biāo)會(huì)偏移。因此說(shuō)燈具的色漂移，是一個(gè)多因素疊加影響的過(guò)程，我們?cè)谘芯科溆绊懙脑蚝?，可以綜合的把色坐標(biāo)修正到理想的的色坐標(biāo)點(diǎn)。

圖10 整燈光學(xué)系統(tǒng)對(duì)色漂移的影響Fig.10 A connection between Optical system and Color offset

6 結(jié)語(yǔ)

基于本文的研究，為把LED燈具的最終色標(biāo)點(diǎn)做到理論設(shè)計(jì)值，改進(jìn)工藝如下。首先，由于光源會(huì)因溫度產(chǎn)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(yīng)靠近于實(shí)際應(yīng)用的溫度。例如，面板燈的外殼為鋁合金Al6063 T5，其導(dǎo)熱系數(shù)為209 W/(m·K)，光源板為鋁基板，整燈功率40 W，采用2835光源，測(cè)得光源Ts溫度為55 ℃,其結(jié)構(gòu)滿足散熱效果。此前，LED球泡的市場(chǎng)需求量占了很大的比重，光源廠家的LED供貨也是針對(duì)球泡燈的實(shí)際應(yīng)用在開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品規(guī)格，而LED球泡因價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈，大多數(shù)將光源的Tj溫度應(yīng)用在90～105 ℃之間，因此LED光源的分Bin為85 ℃的熱態(tài)分Bin。為此，我們需要將分Bin改為冷態(tài)25 ℃分Bin，減少了熱漂程度。其次，應(yīng)修正光源分Bin中心坐標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)項(xiàng)目選用光學(xué)三件套后，測(cè)得其三件套的色漂程度，將色漂的坐標(biāo)點(diǎn)提供給光源廠家重新修正光源色坐標(biāo)，將光源的色坐標(biāo)移位后，使量產(chǎn)可以達(dá)到3 step以內(nèi)的色容差；另一方面將光學(xué)件的材質(zhì)特性做分析，并對(duì)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(chǎn)，穩(wěn)定其光

學(xué)三件套所具有的色容差。經(jīng)過(guò)這些方面的措施，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品可以在達(dá)到5step以內(nèi)或更高要求的色容差，基本滿足客戶的市場(chǎng)需求。當(dāng)后續(xù)LED燈具產(chǎn)品的需求再次提高，可以將LED光源做2 step分Bin，生產(chǎn)時(shí)再上下混Bin的方式來(lái)生產(chǎn)，可以進(jìn)一步的改善色容差。

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