LED灯具色容差的影响因素

曾天赐

【摘要】Influenced by the structure and optical material, the color tolerance adjustment of LED lamp may occur color offset in the LED lighting. We studied the color offset problem of LED lamp,and explored how to improve the lighting quality of LED lighting.%在LED照明应用中,受结构和光学原材料的影响,LED灯具的色容差会发生色漂移现象.我们探讨了LED灯具的色漂移问题,并探索了如何提升LED照明的光品质.

【期刊名称】《照明工程学报》

【年(卷),期】2018(029)002

【总页数】5页(P35-38,52)

【关键词】LED;SDCM;色容差;色漂移;灯具

【作者】曾天赐

【作者单位】飞利浦灯具 (上海) 有限公司,上海 200233

【正文语种】中文

【中图分类】TM923.01

引言

鉴于照明的需求日益增长，应用市场上对LED灯具的光色品质的要求也越来越苛刻，其中对LED灯具色容差的要求也起来越高。但是灯具是由多种光学结构件组成，各个光学件的物理特性又会对光产生不同的影响。因此，我们要对整个光学系统做分析，以提高整个光学系统的光品质，同时也是作为光学件的生产管控依据，降低其不良率。近十年来，人们在照明领域里一直努力的想提高其色品性能，颜色一致性是色光和白光LED光质的一项指标。国际照明委员会(CIE)于1931年制定了颜色空间图，相对色温(CCT)的标准定义允许在CCT值相同的情况下色度很容易被观察者分辨出的范围内变化。颜色差异变得可见的阈值由MacAdam椭圆定义。在颜色空间上绘制的MacAdam椭圆的中心点处的颜色与其边缘上任一点的颜色之间具有一定的偏差。目前主要的色容差标准主要有IEC 60081，ANSI C78.377。

在生产过程中LED在颜色、光通量、正向电压方面呈现出多样化特点，因此光源的生产商是选择具有特定颜色，分多个级别设放市场的。光源做为灯具生产的原料之一，再配合光学件、驱动器和结构件，这些材料的本质特性都会影响到光源最终的出光颜色。本文基于此系统框架，从多方面探讨产生的色漂成因，以及如何用经济方案生产低色容差的灯具。

1 结构对LED灯具色容差的影响

面板灯是一种常见的室内照明灯具，其特点是产品的厚度比较薄，发光面比较大，且发光面的出光效果比较均匀、柔和。

用导光板发光这种方式最早是用于笔记本电脑液晶显示屏的背光照明。它的工作原理是利用P透明导光板将由冷阴极荧光管线光源发出的纯色白光，从透明板端面导入并扩散到整个板面，当光照射到导光板背面印刷的白色反光点时发生漫反射，从与光源入射面垂直的板面(工作面)射出。导光板照明通过巧妙运用光在透明板界面上全反射的原理，将端面射入的光偏转90°，从正面射出，从而起到照明的作用。其中导光板是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丝印上二氧化钛(TiO2)和硫酸钡(BaSO4)混合丙烯基粘合剂组成的油墨，此作用是增加光的折射，将更多的光反射到出光面。

面板灯正是利用了显示屏的背光原理，在导光板的背面增加反射纸，以减少光损失，并在发光面增加了扩散板，以改善发光的均匀性。如图1所示，反射纸、导光板、扩散板构成了面板灯的主要光学部件。

图1 面板灯结构Fig.1 Panel architecture

2 LED灯具散热对色容差的影响

如果我们希望灯具的使用寿命及光通量符合要求，就必须要求LED灯具的结温在一定范围内。如图2所示，LED需要把芯片上的热导出来，其光电转换效率才能提高。为此LED光源的热沉、印刷层是LED散热的主要考虑途径。

图2 LED热传递模式Fig.2 Heat transfer mode

图3是白光LED(10 cd)的发光频谱与温度的关系曲线，20 ℃时蓝光LED的波长最大值为465 nm。波长555 nm的黄光是由具有150 nm发光幅度的YAG:Ce3+离子(5d→4f)所构成的。YAG:Ce3+的发光激发波长设于460 nm，随着温度上升，465 nm最大发光激发波长会迁移到长波长区段。555 nm的黄光波长区段则几乎不会有迁移现象，但发光强度会急剧下

降。其主要原因是温度上升后蓝光LED的最大发光波长迁移到长波长区段，YAG:Ce激发区段的共鸣位置依次偏移，造成发光强度随之下降。由于白光LED的发光特性受到温度影响，因此温度若超过50 ℃时黄光发光强度会急剧下降，白光的显色性变差，色度则大幅偏移。如图4所示，为温度变化时色度的漂移现象，当LED Tj温度上升时，其色度向高色温偏移。

图3 白光LED(10 cd)的发光频谱与温度的关系曲线Fig.3 Spectrum and Tj curves of white LED (10 cd)

图4 温度变化产生的色漂移Fig.4 Tj variation to cause color offset

LED的发光材料对温度依赖特性很显著，随着发光温度的上升，发射光谱红移，发射峰变宽，在达到某个温度时发生猝灭。图5为Sr2SiO4:Eu2+在不同温度的光谱功率分布图，与前面的发射光谱分析一致：随温度升高，Sr2SiO4:Eu2+的色坐标移向红区，如温度从90 K变化到400 K，蓝光的发射峰从469 nm红移到480 nm，绿光的发射峰从546 nm变化到555 nm。另一方面，其发射光谱峰的半高宽也随温度上升而变化(从90 K到400 K)，蓝光的半高宽从40 nm增加到57 nm；绿光的半高宽从65 nm增加到100 nm。在温度达到360 K时绿

光即猝灭，温度达到400 K时蓝光猝灭。

3 LED正向电流对色温的影响

根据白光LED的发光光谱(400 nm紫外芯片)，其显色指数为85，比YAG的显色指数82要高。图6在不同驱动电流(20 mA、30 mA、40 mA、50 mA、60 mA)下，Ba3MgSi2O8∶0.075Eu2+，0.05Mn2++紫外LED芯片的色温从5 200 K增加到6 000 K；而YAG∶Ce3++蓝光LED的色温从6 500 K增加到9 000 K。Ba3MgSi2O8∶0.075Eu2+，0.05Mn2++紫外LED芯片的发光颜色稳定性更高。

图5 不同温度的光谱功率分布图Fig.5 Spectral radiant distribution and Tj curves

图6 驱动电流产生的色漂现象Fig.6 If and color offset curves

以LED面板灯的结构来看，恒流输出的驱动电流为700(1±10%) mA，在光学组件不变的情况下，正向电流对LED光通量和色漂移的影响情况如表1所示，电流变化±10%，光通量变化±9%，色容差变化±0.1。

表1 输入电流与色漂的测试结果Table 1 Test result of If-color offset灯具编号电流变化色坐标x变化色坐标y变化色容差变化光通量变化1#±10%±000025±000025±015±9%2#±10%±000025±000020±010±9%3#±10%±000020±000025±010±9%

4 光学材质对色漂移的影响

材料的吸收系数与波长相关，同一材料的吸收率随波长变化的情况称为“选择吸收”。光可以看成是量子化的粒子流，材料的能量状态也是量子化的。当光波射入介质时，介质的电子在光波场的作用下发生受迫振动。常态下电子的固有频率与光波的频率是不同的，但是如果他们刚好相等，将发生共振辐射，使得电子振动的振幅加大，于是频率相同的光波被电子所吸收，材料中的电子从较低能态跃迁到较高能态。不同能态的跃迁可以吸收不同波长的光子，形成吸收光谱的复杂结构。不同介质吸收光谱的特点不一样，吸收系数随光波的变化而变化。图7为经典色散理论推得的折射率与吸收系数曲线。

图7 折射率与吸收系数曲线Fig.7 Refractive index-Absorption coefficient curves

图8 反射纸对色漂的影响Fig.8 Reflector-Color offset curves

1)反射纸对色漂的影响。反射纸在照明应用中主要是提高漫反射率，减少光的损失。图8是几种反射纸对LED光源的反射情况，不同品牌的光源、不同色温的光源，各色域的光谱峰值不同；而反射纸因原材料和制程的不同，对不同的光谱吸收的程度也不同。叠加两种特征曲线后，可见当LED光线经过反射纸反射后，会显现不同程度的影响。如图三种反射纸中，B#反射纸对蓝光吸收比较小，但对绿光的吸收却是最大的，因此LED的发射光谱峰的半高宽也会产生位移，色温随之产生变化。因此在选定LED光源后，需根据反射纸对光波的吸收特性来选用反射纸的材质。

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