一致相關(guān)色溫對(duì)LED照明的重要性及如何通過(guò)顏色混合實(shí)現(xiàn)這一性能

制造商努力生產(chǎn)具有一致相關(guān)色溫（CCT）和發(fā)光輸出的LED，但有些變化是不可避免的，并且消費(fèi)者注意不需要太多差異。如果來(lái)自各個(gè)設(shè)備的光被燈具的內(nèi)部光學(xué)器件充分混合，則構(gòu)成單個(gè)燈具的幾個(gè)LED中的CCT的一些變化不是問(wèn)題。然而，對(duì)于大的內(nèi)部空間或外部照明，其中幾個(gè)照明器彼此靠近使用，顏色和亮度變化變得令人煩惱地顯而易見(jiàn)。

一種解決方案是讓燈具制造商購(gòu)買(mǎi)已經(jīng)由制造商分類(lèi)的白色LED，以匹配CCT和發(fā)光輸出組或“箱”。這種做法的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。

另一種方法是使用兩個(gè)或多個(gè)箱中的LED來(lái)產(chǎn)生所需的結(jié)果。這具有生產(chǎn)具有一致顏色的夾具并且比從單個(gè)箱中購(gòu)買(mǎi)LED便宜的優(yōu)點(diǎn)。

本文解釋了CCT對(duì)LED照明的重要性，以及如何通過(guò)從離散箱中進(jìn)行選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然后描述了如何通過(guò)混合來(lái)自幾個(gè)箱的不同顏色的LED（“顏色混合”）來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。

一致性問(wèn)題

有幾種生產(chǎn)白光LED的方法，但最常見(jiàn)的商業(yè)方法是將釔鋁石榴石（YAG）熒光粉與皇家藍(lán)LED結(jié)合使用。從LED發(fā)射的大多數(shù)光子被磷光體吸收，這種現(xiàn)象稱(chēng)為斯托克斯移位（Stokes Shifting），并且以不同的波長(zhǎng)重新發(fā)射，主要在光譜的黃色部分。直接從LED中逸出的藍(lán)色光子和來(lái)自熒光粉的黃色發(fā)射的組合產(chǎn)生了良好的近似白光。

巧妙地控制熒光粉化學(xué)，使LED制造商能夠生產(chǎn)具有不同CCT的器件，這些器件位于普朗克黑體軌跡上，位于CIE xy 1931色度圖的白色區(qū)域（圖1）。 x和y坐標(biāo)確定特定色度圖的顏色空間上的點(diǎn)。

圖1：具有普朗克軌跡和相關(guān)色溫線的CIE xy 1931色度圖。

制造商生產(chǎn)各種CCT的白光LED以適應(yīng)特定應(yīng)用，輸出分類(lèi)為“暖白”（2，600至3，700 K），“中性白”（3，700至5，000 K）和“冷白”（5，000至8，300 K） ）。

LED客戶(hù)可以“選擇一個(gè)CCT”并制造一個(gè)燈具，知道它將以所需的光度發(fā)出恰好波長(zhǎng)的光子。這就是理論，但不幸的是，在實(shí)踐中事情并不總是那么好。

雖然LED供應(yīng)商可以很好地讓他們的設(shè)備發(fā)光非常接近指定的CCT，但固態(tài)照明是一項(xiàng)棘手的工作。幾乎不可能保證來(lái)自不同批次或甚至同一批次的芯片將發(fā)出相同的顏色。材料和工藝的自然變化決定了輸出在晶片表面上變化，一旦將基板切割成單獨(dú)的LED，就會(huì)影響色度和光通量。

這種自然變化給照明制造商帶來(lái)了挑戰(zhàn)，特別是如果他們正在尋求獲得其產(chǎn)品的能源之星評(píng)級(jí)。為了獲得這樣的認(rèn)可，制造商的產(chǎn)品必須遵守一系列嚴(yán)格的LED照明應(yīng)用性能要求，這些要求是在“整體LED燈的能源之星計(jì)劃要求”等文件中提出的。1本文件規(guī)定了CCT的要求，能源之星認(rèn)可的LED照明產(chǎn)品的顯色指數(shù)（CRI），流明和顏色維護(hù)。 （傳統(tǒng)照明的制造商也采用了這些要求，根據(jù)顏色的一致性對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行“評(píng)級(jí)”。）

LED制造商采用的解決方案是確保產(chǎn)品的一致性，是從批量生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)單個(gè)LED進(jìn)行分類(lèi)包含具有類(lèi)似CIE顏色坐標(biāo)（或CCT）的設(shè)備的“箱”。分組由CIE色度圖上的小四邊形確定，這些分箱的垂直組具有相同的CCT。主要的LED制造商使用符合ANSI C78.377-2008 LED分檔標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)命名法和定義。圖2顯示了來(lái)自同一制造批次的設(shè)備如何分類(lèi)到許多相鄰的箱柜中。一些箱子包含許多LED，而其他箱子包含很少或根本沒(méi)有。

圖2：LED生產(chǎn)運(yùn)行的假設(shè)色度變化（由Cree提供）。

制造商使用裝箱作為確保裝置顏色一致性的方法的一大缺點(diǎn)是成本高;從單個(gè)垃圾箱或一小組垃圾箱購(gòu)買(mǎi)LED是很昂貴的（特別是如果選擇的顏色來(lái)自包含少量設(shè)備的箱子或箱子）。

一些LED制造商通過(guò)減少客戶(hù)可以選擇的垃圾箱數(shù)量來(lái)降低成本。例如，Cree使用這種策略提供他們的Xlamp XM-L EasyWhite產(chǎn)品。如果顧客更喜歡，而不是從幾十個(gè)色度箱中選擇，則每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色溫只有一個(gè)大的色度箱，這四個(gè)箱中的每一個(gè)都以普朗克軌跡為中心。從這些較大的垃圾箱中選擇比從較小的垃圾箱中選擇要便宜，但仍然比采用混色方法更昂貴。

混合和匹配

盡管現(xiàn)代LED具有高效率，例如歐司朗OSLON SSL等單芯片的功效為125 lm/W（3.1 V和350 mA），輸出高達(dá)136 lm，單個(gè)設(shè)備本身不足以用于一般照明應(yīng)用。家用環(huán)境的典型固定裝置提供800至1，200流明的亮度。因此，制造商將幾個(gè)LED組合在一個(gè)燈具中以提供令人滿(mǎn)意的照明。

每個(gè)燈具有8個(gè)LED是典型的，偶然允許燈具制造商充分利用混色。該技術(shù)利用了LED色度和光通量是附加特性的事實(shí)。實(shí)際上，單個(gè)白色LED通過(guò)組合來(lái)自皇家藍(lán)色LED和磷光體的發(fā)射來(lái)進(jìn)行顏色混合，如圖3所示。

圖3：最流行的白色類(lèi)型LED使用藍(lán)色和黃色的加色混合，以在CIE xy 1931色度圖的白色區(qū)域中產(chǎn)生位于普朗克軌跡上的色度。

混色的作用是因?yàn)槿祟?lèi)色彩感知的關(guān)鍵特征。對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)，當(dāng)它們具有相同的“三刺激”值時(shí)，兩個(gè)光源看起來(lái)是相同的顏色，無(wú)論光的光譜分布如何用于產(chǎn)生它們。2（三刺激值是三種類(lèi)型的度量的量度人眼視網(wǎng)膜中的視桿細(xì)胞對(duì)觀察到的光源的不同波長(zhǎng)和亮度起反應(yīng)。）

使用“三色”加色模型將三刺激值轉(zhuǎn)換為CIE xy 1931色度圖。從LED輸出的光的三原色值是從色度（色度圖中的x，y）和通量（Φ= Y）導(dǎo)出的。

特定LED的實(shí)際三色值可以按如下方式計(jì)算：

如上所述，來(lái)自多個(gè)器件的三色值提供了附加效應(yīng)，因此四個(gè)器件的組合將yield：

那么：

這種附加效應(yīng)允許制造商通過(guò)將來(lái)自四個(gè)不同箱的LED的輸出結(jié)合到一起來(lái)降低燈具成本滿(mǎn)足他的CCT要求，而不是單個(gè)（昂貴的）垃圾箱。

照明設(shè)計(jì)師應(yīng)注意，只有當(dāng)燈具遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，混合才能很好地工作，因此來(lái)自四個(gè)燈箱的各個(gè)LED的光在到達(dá)觀察者眼睛時(shí)已“混合”。或者，固定裝置將需要一組位于LED附近的二次光學(xué)器件，以在光離開(kāi)燈具之前徹底“混合”光。

一個(gè)實(shí)際的例子

考慮一個(gè)燈具設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)，該設(shè)計(jì)師的任務(wù)是生產(chǎn)一個(gè)發(fā)出“暖白”燈（3，000 K）的多LED燈具。他的第一個(gè)選擇是從bin 7D3購(gòu)買(mǎi)Cree的XP-E LED，它完全符合規(guī)格。然而，這也是最昂貴的選擇，特別是如果固定裝置注定要長(zhǎng)時(shí)間保持生產(chǎn)。

第二種選擇是通過(guò)從兩個(gè)箱子購(gòu)買(mǎi)設(shè)備來(lái)降低成本。表1詳細(xì)介紹了該公司XP-E產(chǎn)品系列中兩種合適選項(xiàng)的特性。

LED箱碼xy Y（Φ）Im XP-E＃1 8C3 P3 0.4753 0.4263 74 XP-E＃2 7A1 Q2 0.4194 0.3866 87

表1：來(lái)自這兩個(gè)箱柜的Cree XP-E LED可以組合使用從箱7D3提供與單個(gè)裝置相同色度的光。

使用上面詳述的公式，這兩種設(shè)備的最終顏色混合如下：

xmix = 0.4437

ymix = 0.4039

Φ= 161 lm

均勻混合時(shí)，組合輸出與bin 7D3中的設(shè)備顏色相同，因此符合原始規(guī)范（圖4）。

圖4：混合來(lái)自箱7A1和8C3的輸出產(chǎn)生來(lái)自箱7D3的裝置的等效顏色（由Cree提供）。

根據(jù)燈具的發(fā)光度要求，照明工程師可以通過(guò)組合三個(gè)甚至四個(gè)箱的設(shè)備來(lái)進(jìn)一步降低LED的成本。圖5說(shuō)明了四種設(shè)備的效果。

圖5：在混合中再添加兩個(gè)箱（7B2和8D4）保留與圖4所示輸出相同的顏色，但將發(fā)光輸出增加到322 lm（由Cree提供）。

理論上，可以選擇任意數(shù)量的色塊進(jìn)行色彩混合操作，但實(shí)際上，使用間距較大的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)和查看器的色塊存在一些實(shí)際限制。例如，街道照明，其中光源距離觀察者很遠(yuǎn)并且相對(duì)于背景光非常明亮，使用來(lái)自寬間隔箱的LED的顏色混合非常寬容。然而，當(dāng)采用來(lái)自非常不同的箱的LED時(shí)，非擴(kuò)散的室內(nèi)應(yīng)用可能在光源中使用的各個(gè)LED之間表現(xiàn)出可察覺(jué)的顏色變化。

熟悉顏色混合技術(shù)的照明工程師可以很好地猜測(cè)哪個(gè)箱組合會(huì)聚在一個(gè)理想的CCT上。使用來(lái)自主要LED制造商的專(zhuān)用軟件應(yīng)用程序可以加速該過(guò)程。 Cree提供他們的“Binonator”P(pán)C軟件應(yīng)用程序，可從公司網(wǎng)站上進(jìn)行受控訪問(wèn)下載。

總結(jié)

LED具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括高效率，長(zhǎng)壽命和堅(jiān)固性，但它們始終難以制造。供應(yīng)商通過(guò)將產(chǎn)品分類(lèi)到箱子中來(lái)克服這一挑戰(zhàn)，每個(gè)箱子都包含一組緊密匹配的設(shè)備。然后，照明設(shè)備制造商可以從單個(gè)箱中選擇LED以滿(mǎn)足特定的CCT要求。

然而，先鋒照明燈具制造商已經(jīng)轉(zhuǎn)變了將來(lái)自幾個(gè)不同箱子的產(chǎn)品組合在一起的附加效果，以獲得所需的CCT，因?yàn)樗?jié)省了資金。

仔細(xì)選擇幾個(gè)箱體來(lái)組成照明燈具中的LED可確保照明與采用單個(gè)箱體中的LED的比較燈具的顏色相匹配，前提是照明設(shè)計(jì)師注意確保各個(gè)LED的貢獻(xiàn)在夾具中通過(guò)二次光學(xué)器件徹底混合。