王正萃, 王忠良，曹雅

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545000)

0 引言

隨著人們對駕乘品質要求的日益提升，車內(nèi)背景燈光從不受重視的簡單功能件，發(fā)展成為體現(xiàn)汽車內(nèi)飾設計風格的重要元素，背光顏色和亮度的一致性，也極大影響駕乘空間的美觀度和客戶感知的舒適度，越來越受到主機廠和消費者的關注。

目前市場上車型品牌繁多，背景光顏色的運用各不相同，而對于主打車型的背光主色調(diào)，各大品牌都不約而同地選擇了白色。而LED的白光是混合光，成本高，實現(xiàn)難度大。并且零件呈現(xiàn)出的最終顏色并非LED的顏色，同時還受到導光介質的影響。因此，要實現(xiàn)標準定義的顏色以及整體背光顏色的一致性是非常困難的，為此，本文作者嘗試采用六西格瑪設計方法，對車載白色背光出現(xiàn)的偏色問題進行分析和優(yōu)化。

1 色品圖的介紹

1931年，CIE國際照明委員會建立了一套界定和測量色彩的技術標準—— 1931 CIE-XYZ系統(tǒng)色品圖如圖1所示，該圖是國際顏色測量的統(tǒng)一標準，是色度學的應用工具。絕大部分色度計算和色度測量儀器的設計、制造都以該圖為基本依據(jù)。

圖1 1931 CIE-XYZ系統(tǒng)色品圖

色品圖實際上就是一個色品坐標系，其中x色坐標相當于深灰色(紅原色)在某一顏色中所占的比例，y色坐標相當于淺灰色(綠原色)在某一顏色中所占的比例，而z色坐標相當于黑色(藍原色)在某一顏色中所占的比例；z色坐標值可由x+y+z=1求出[1]，理論上可以用x、y、(z)數(shù)值來表述任何顏色。

色品圖上，在馬蹄形圖形內(nèi)，包含了所有現(xiàn)實的顏色；圖形外是假想顏色，不能實現(xiàn)。

2 影響背光顏色的因素分析

2.1 LED顏色

背光顏色根本上取決于LED光源的顏色。普通單色發(fā)光二極管的發(fā)光顏色與發(fā)光的波長有關，而發(fā)光的波長又取決于制造發(fā)光二極管所用的半導體材料[2]。所有的白光都是混合光,目前白光LED的主流制造工藝是：在藍色LED芯片上涂敷能被藍光激發(fā)的黃色熒光粉，芯片發(fā)出的藍光與熒光粉發(fā)出的黃光互補形成白光[3]。由于工藝水平的限制，比如，藍光芯片發(fā)光波長在460～463 nm，實際生產(chǎn)中很難保證在這個范圍內(nèi)；熒光粉形狀、顆粒大小，點粉的厚度、均勻度無法做到完全一致；藍光芯片和熒光粉波段的匹配性也較難保持完全的統(tǒng)一，因此白光LED存在色差在所難免。

LED行業(yè)通常用色區(qū)來劃分LED產(chǎn)品，廠家將其肉眼看起來顏色差別不明顯的LED歸到一類，這樣分選出來的LED在CIE中就對應了一個小的色坐標范圍，這個小的色坐標區(qū)域就被定義為一個色區(qū)。用戶需要根據(jù)需求選擇不同色區(qū)的產(chǎn)品。圖2為某企業(yè)LED產(chǎn)品色區(qū)劃分情況。

圖2 某企業(yè)LED產(chǎn)品色區(qū)劃分

2.2 底材的顏色和透光率

一般背光零件面罩底材是透明的PC或PMMA，零件面罩底材的透光率影響背光的顏色和亮度，透光率高則亮度和顏色越接近背光源。

有些零件為了節(jié)省成本，采用單層漆的工藝，將黑色單層漆鐳雕掉之后露出底材的顏色，底材的顏色就成為字符的顏色，這時候需要在底材中添加一定比例的色母粒進行調(diào)色，以使字符的顏色達到標準要求。色母的添加比例影響到底材的顏色，不同顏色的底材會吸收掉特定波長的光，進而影響到透過的光線的顏色。

另外，一些零件為了提高背光的亮度均勻性，采用了導光板或導光條作為導光介質，這時候應考慮導光介質的顏色和透光率對背光顏色的影響。

2.3 字符油墨顏色和厚度

一些背光零件的字符工藝采用雙層漆工藝，以紅色字符按鍵為例，先在按鍵的表面接噴涂紅色油墨，此時紅色油墨的濃度不能過高，噴涂的厚度也不能過厚，以便于透光。再往噴涂好紅色油墨的表面再噴一層黑色油墨，最后再用鐳雕機按鍵的表面進行激光雕刻，使其黑色的油墨脫落并露出紅色的底，此時就可以看到紅色的字符了。

不同顏色的油墨會吸收特定波長的光線，進而影響透出的光線的顏色。而油墨的厚度則影響透光率，油墨越厚，吸收的互補色光越多，顏色越深，亮度越低。

2.4 驅動電流

色品坐標、色溫與正向電流關系密切，隨著正向電流的增大，色坐標x、y均隨之減小，顏色偏藍。恒流源電源在允許的負載情況下，輸出的電流是恒定的，不會隨負載的變化而變化，因此，LED的驅動電源多數(shù)選擇恒流驅動電源。

3 背光色坐標的優(yōu)化

3.1 現(xiàn)狀分析

背光零件認可過程中發(fā)現(xiàn)白光零件背光較標準樣件顏色偏藍，色調(diào)偏冷，與傳統(tǒng)意義上的正白也有較明顯的偏差。內(nèi)飾設計師反饋白光顏色偏藍，與屏幕的白色不協(xié)調(diào)，無法達到設計意圖。

3.2 標準要求與零件色坐標表現(xiàn)

使用Lumicam1300背光測試設備對零件上各個背光元素的色坐標進行測量，如圖3所示。企業(yè)標準要求的白色背光標準色坐標系統(tǒng)如圖4所示，其中包含目標值和范圍要求(涉及主機廠機密，故將標準數(shù)值隱去)，要求背光色坐標值分布在標準范圍內(nèi)，并且盡量接近于目標值，離散程度盡可能地小。由圖可以看出，背光樣件的色坐標分布于標準要求范圍之外，且離散程度比較大。

圖3 背光色坐標的測量

圖4 白色背光標準要求及某車型空調(diào)控制器色坐標分布

3.3 參數(shù)分析與試驗模型建立

采用DFSS六西格瑪設計對影響背光顏色的各種因素進行穩(wěn)健參數(shù)設計，分析各因子效應的顯著性，找到最優(yōu)的條件設置，以使零件的背光色坐標值與目標值更為接近，并減小其離散程度[5]。

空調(diào)控制器背光字符工藝為透明基材、雙層漆鐳雕，照明方式為單顆LED背光源直照。文中以典型字符“MODE”作為取點測試的對象，根據(jù)其背光顏色影響因素進行參數(shù)設計并建立正交試驗模型，其中，4個因子為LED色區(qū)、油墨顏色、油墨厚度、底材透光率。這幾個因子及安排的試驗水平見表1。

表1 控制因子選取

4個因子都是3水平，因此選用L9正交表作為可控因子表，選定油墨厚度(±25%)、透光率(±5%)為誤差因子，使用綜合誤差法，對表內(nèi)的每行選取最不利狀況，進行兩次試驗，并將色坐標測試值填入表2。

表2 正交試驗數(shù)據(jù)表

3.4 試驗結果分析

色坐標值無法直接衡量接近目標色坐標的程度，也無法直接用于試驗結果的計算和分析，因此，計算測試色坐標值到目標色坐標值的距離，并填入C5和C6列，將望目型問題轉化成望小型問題，距離越小，越接近目標色坐標值，使用MINITAB軟件進行數(shù)據(jù)分析，選擇望小特性信噪比計算公式，計算結果見表3。

表3 試驗結果數(shù)據(jù)表

圖5為信噪比響應。從極差的大小排秩中，可以看出在各個因子對信噪比的影響中，以LED色區(qū)最為重要，油墨顏色次之，底材透光率和油墨厚度影響較小。

圖5 信噪比響應

圖6為均值響應，從極差的大小排秩中，可以看出以LED色區(qū)最為重要，油墨顏色其次，油墨厚度影響較小，底材透光率幾乎沒有影響。

圖6 均值響應

由圖5和圖6可知，因子LED色區(qū)、油墨顏色、底材透光率和油墨厚度對望小型信噪比都有一定程度的影響，因而為散度因子；因子LED色區(qū)、油墨顏色、油墨厚度對均值影響較大，因而都是位置因子，因子LED色區(qū)、油墨顏色、油墨厚度既是散度因子，又是位置因子。

3.5 優(yōu)化與預測

按照望小型特性響應變量優(yōu)化的基本方法，應先選出位置因子(LED色區(qū)、油墨顏色、油墨厚度)的水平，使位置達到最小。圖7為田口設計均值主效應分析圖,由圖可知最佳水平為：LED色區(qū)取2水平，油墨顏色取3水平，油墨厚度取3水平。然后再選擇非位置因子的散度因子(底材透光率)的水平使散度最小化，圖8為田口設計信噪比主效應分析圖，由圖可知最佳水平確認為：底材透光率取3水平。由于這種最佳搭配并未在試驗中出現(xiàn)過，因此，需要通過預測來確認這種搭配的均值和信噪比是否達到最佳水平。

圖7 田口設計均值主效應分析圖

圖8 田口設計信噪比主效應分析圖

使用MINITAB軟件預測田口結果，選擇各因子的最佳水平設置，得到預測結果如圖9所示。由圖可知，各因子最佳水平設置下，信噪比和均值都取得了相當好的結果。

圖9 田口設計預測結果

3.6 驗證

為了更準確地確認最后的結果，按照最佳水平搭配方案制作樣件，然后利用Lumicam1300背光測試設備對新樣件進行取點測試后，得到的字符背光色坐標分布如圖10所示，距離目標色坐標值更近，顏色與標準樣件無明顯色差，離散程度也完全小于優(yōu)化前的樣件。最后經(jīng)過專家和客戶評審，達到背光認可狀態(tài)。

圖10 優(yōu)化后樣件背光色坐標分布

綜上所述，字符白色背光偏色問題優(yōu)化的試驗、分析和驗證全部完成，并確定了最終優(yōu)化方案。文中優(yōu)化設計節(jié)約了大量的樣件試制成本和周期，最終有效提升了零件整體背光顏色的準確度和一致性。

4 結束語

文中選取某車型的空調(diào)控制器，通過完整的六西格瑪穩(wěn)健參數(shù)設計流程，建立了正交試驗模型，并通過MINITAB軟件進行了數(shù)據(jù)分析和結果預測，得到了最優(yōu)的設計方案，最終通過樣件的試制和結果的測試，驗證了優(yōu)化方案的準確性。

最終的優(yōu)化方案說明了，對于雙層漆工藝的零件，LED色區(qū)和油墨顏色是影響背光顏色的最重要的因素，而主機廠對字符的顏色都會有定義，先對字符的顏色進行認可，將字符顏色參數(shù)固化下來，再進行LED色區(qū)的調(diào)整，可以大大減少字符背光調(diào)整的成本和周期。而對于單層漆工藝的零件，影響背光顏色的因素主要有LED色區(qū)、底材顏色、底材透光率等因素，亦可以采用六西格瑪設計流程進行設計優(yōu)化。將文中的設計方法應用于之后的背光零件設計中，將會為背光品質的提升提供有效而快捷的途徑。