基于顏色的LED照明產(chǎn)品的方法

LED，與所有半導(dǎo)體設(shè)備一樣，具有材料和工藝變化，產(chǎn)生具有相應(yīng)性能變化的產(chǎn)品。 LED經(jīng)過(guò)裝箱和包裝，以平衡制造過(guò)程的性質(zhì)和照明行業(yè)的需求。照明級(jí)LED產(chǎn)品受固態(tài)照明行業(yè)，應(yīng)用要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的需求驅(qū)動(dòng)，包括色彩一致性，以及色彩和流明維持。

LED照明對(duì)色彩一致性的需求沒(méi)有什么比圖片更能說(shuō)明每種照明技術(shù)需要提供一致的色彩。這是我們?cè)噲D解決的問(wèn)題的一個(gè)例子。

圖1：對(duì)顏色一致性的需求涵蓋了所有照明技術(shù)。雖然這個(gè)插圖來(lái)自一系列HID燈照亮了建筑物的外立面，隨著時(shí)間的推移，它顯示了燈具制造和顏色維護(hù)中顏色不一致的不良后果。

美國(guó)，歐盟和世界各地日益活躍的工業(yè)政策導(dǎo)致嚴(yán)格的設(shè)定LED照明應(yīng)用的性能要求。例如，2010年文件“整體LED燈的能源之星?計(jì)劃要求” 2 提出了嚴(yán)格的要求，明顯高于CFL 3 的要求，這是第一個(gè)產(chǎn)業(yè)政策強(qiáng)制照明技術(shù)。 LED燈要求之前是2008年的文件“固態(tài)照明燈具的能源之星計(jì)劃要求 4 ?！痹谶@些文件的每一個(gè)中，都有CCT，CRI，流明和顏色維護(hù)的要求。能源之星認(rèn)可的LED照明產(chǎn)品，如下表1和表2所示。

標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目能源之星要求參考標(biāo)準(zhǔn)/測(cè)試方法樣品量/特殊要求實(shí)驗(yàn)室要求相關(guān)色溫（CCT）和Duv燈必須具有以下之一指定的CCT（根據(jù)ANSI C78.377-2008）與下面列出的7步色度四邊形和Duv公差一致（更多信息見(jiàn)附錄A）。 LM-79-08 ANSI C78-377-2008每個(gè)型號(hào)10個(gè)單位

-5 base-up

-5 base-down

10個(gè)樣品中至少有9個(gè)必須符合規(guī)格DOE CALiPER認(rèn)可或NVLAP認(rèn)證for LM-79-08 Nominal CCT Target CCT（K）and tolerance Target Duv and tolerance 2700 K 2725±145 0.000±0.006 3000 K 3045±175 0.000±0.006 3500 K 3465±245 0.000±0.006 4000 K 3985±275 0.001± 0.006表1：按照程序要求（V1.1）對(duì)整體LED燈的能源之星要求。

燈具要求相關(guān)色溫（CCT）燈具必須具有以下指定CCT之一且屬于7級(jí)色度四邊形標(biāo)稱CCT （1） CCT（K）2700 K 2725±145 3000 K 3045±175 3500 K 3465±245 4000 K 3985±275 4500 K 4503±243 5000 K 5028±283 5700 K 5665 ±355 6500 K 6530±510表2：LED燈具的能源之星要求，按程序要求（V1.1）。

這些要求突出了實(shí)現(xiàn)既定，可重復(fù)的需求結(jié)果與LED供應(yīng)商的制造輸出。

基本方法

公司可以通過(guò)三種方式與Cree合作，采購(gòu)LED以實(shí)現(xiàn)顏色一致的照明產(chǎn)品：

購(gòu)買一個(gè)或極少數(shù)的垃圾箱。一遍又一遍地購(gòu)買相同的小型零件是一種合理且可重復(fù)的策略，但由于LED制造的性質(zhì)，這絕不是采購(gòu)LED生產(chǎn)供應(yīng)的最低成本方式。

With從2009年底開(kāi)始發(fā)布EasyWhite?產(chǎn)品，Cree使其客戶能夠以類似于原始燈泡規(guī)格實(shí)踐的方式使用LED，例如，僅指定CCT和通量。 Cree代表其客戶在構(gòu)建XLamp MC-E或MP-L LED的EasyWhite版本中執(zhí)行顏色混合。

傳統(tǒng)上與Cree一起使用的最具成本效益的方法是購(gòu)買XLamp LED的完整版本也就是說(shuō)，LED生產(chǎn)運(yùn)行的全部制造產(chǎn)量，包括通量和色度的變化。為了有效地使用完整的分布，客戶開(kāi)發(fā)了多LED照明系統(tǒng)和混色配方的專業(yè)知識(shí)?；焐浞教峁┝遂`活的多種解決方案，可以產(chǎn)生可重復(fù)的色度結(jié)果，并且可以提供前兩種方法的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

本文檔的其余部分為那些人提供了一個(gè)框架和工具集。想要在他們自己的多LED照明產(chǎn)品中進(jìn)行混色。

LED binning

LED可以通過(guò)多種方式進(jìn)行表征。對(duì)于顏色混合，兩個(gè)最重要的尺寸是顏色和通量。這些參數(shù)作為L(zhǎng)ED組件制造過(guò)程的一部分收集，并且是本文檔中討論的組件裝箱的基礎(chǔ)。

色度箱

Cree通過(guò)在每個(gè)ANSI C78中定義子箱來(lái)提供業(yè)界領(lǐng)先的粒度。適用于溫暖，中性和冷白色XLamp產(chǎn)品的377箱。

圖2：XLamp暖白色和中性白色垃圾箱。

每個(gè)產(chǎn)品系列都有一個(gè)裝箱和標(biāo)簽文件，為訂購(gòu)Cree LED組件提供必要的規(guī)格。

Cree?XLamp?XP系列LED分檔和標(biāo)簽，CLD -AP22

Cree?XLamp?MX-6 LED分檔和標(biāo)簽，CLD-AP30

Cree?XLamp?MC-E LED分檔和標(biāo)簽，CLD-AP20

從2009年12月開(kāi)始，Cree推出了一款多芯片LED組件XLamp MC-E EasyWhite?。 EasyWhite binning系列的第二個(gè)多模具成員宣布推出XLamp MP-L EasyWhite。 EasyWhite表示乘法LED箱的進(jìn)展的顯著簡(jiǎn)化，如下圖所示。而不是幾十個(gè)色度箱，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色溫只有一個(gè)色度箱。這種方法也是獨(dú)特的，因?yàn)樗膫€(gè)箱中的每一個(gè)都以黑體線為中心。

圖3：EasyWhite箱。

助焊劑箱

光通量是一種附加度量，就像感知顏色是添加劑一樣。通過(guò)布置LED陣列并對(duì)整個(gè)陣列的通量求和來(lái)創(chuàng)建許多類型的燈具。 Cree XLamp LED的特點(diǎn)還在于其標(biāo)稱電流下的光通量5。這種分類的一個(gè)例子如下：

Flux Bin Luminous Flux（Im）Flux Bin Luminous Flux（Im）Min。最大。閔。最大。 K2 30.6 35.2 Q3 93.9 100 K3 35.2 39.8 Q4 100 107 M2 39.8 45.7 Q5 107 114 M3 45.7 51.7 R2 114 122 N2 51.7 56.8 R3 122 130 N3 56.8 62.0 R4 130 139 P2 67.2 73.9 S2 148 156 P3 73.9 80.6 S3 156 164 P4 80.6 87.4 S4 164 172 Q2 87.4 93.9表3：示例Cree磁通分檔。

在照明規(guī)范中使用比色法和分檔信息

為了理解為什么多LED混色是一種重要且具有成本效益的制造技術(shù)，請(qǐng)?jiān)诖笮蜕a(chǎn)運(yùn)行中考慮以下LED的假設(shè)分布。沒(méi)有LED制造商可以在其白光LED中產(chǎn)生均勻的色點(diǎn);相反，他們生產(chǎn)的批次LED具有不同的顏色分布和光通量，并根據(jù)生產(chǎn)結(jié)果創(chuàng)建庫(kù)存。

圖4：假設(shè)的LED元件分布。

如果客戶想方設(shè)法使用更廣泛的彩色垃圾箱，那么購(gòu)買LED的成本要低于僅購(gòu)買特定垃圾箱的客戶。

這三種方法都有說(shuō)明在下面的插圖中以圖形方式顯示。

三種方法購(gòu)買單個(gè)（或少數(shù)）色度箱

圖5：購(gòu)買單個(gè)箱 - 價(jià)格不敏感的策略。

使用Cree EasyWhite零件

Cree EasyWhite LED采用下一節(jié)所述的混色技術(shù)制造，具有出色的色彩一致性和制造可重復(fù)性。

圖6：購(gòu)買EasyWhite垃圾箱，這是一種結(jié)構(gòu)可重復(fù)的策略。

在LED系統(tǒng)中進(jìn)行顏色混合

對(duì)于某些多LED應(yīng)用，混合各種顏色的白光LED是實(shí)現(xiàn)良好色彩質(zhì)量同時(shí)最大限度降低LED成本的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。在這個(gè)插圖中，我們展示了四個(gè)LED可以獲得相同的感知結(jié)果，就像使用來(lái)自其中一個(gè)中央子線的四個(gè)LED一樣。

數(shù)學(xué)上的結(jié)果是因?yàn)轭伾屯渴窍嗉拥摹?LED通常以色度（1931 CIE色彩空間中的x，y）和光通量（Φ= Y）為特征。

用于混色數(shù)學(xué)的三刺激值可以按如下方式計(jì)算：

組合顏色是添加的三刺激值的結(jié)果：

圖7：多LED燈具可以使用混色，在LED上花費(fèi)更少。

當(dāng)然，有一些與燈具設(shè)計(jì)有關(guān)的警告。為了獲得混色的好處，固定裝置必須遠(yuǎn)離觀察者，使LED“混合”在一起?；蛘?，必須有一組二次光學(xué)器件來(lái)混合和均勻化具有略微不同色調(diào)的LED陣列。

設(shè)計(jì)示例：2900 K

此示例以多種方式解決。目標(biāo)是2900 K燈具，盡可能靠近黑體線。滿足該比色要求的Cree子文件是7D3。假設(shè)燈具是多LED器件，還有多種其他方法可以滿足生產(chǎn)要求。

使用兩個(gè)箱子的解決方案

img src = 10》圖8：兩個(gè)XLamp XP-E LED暖白混合例如：正確混合，這兩個(gè)LED的結(jié)果會(huì)發(fā)出看似落在7D3箱中的光，并在下面以圖形方式說(shuō)明。

圖9：兩個(gè)LED以161流明實(shí)現(xiàn)箱7D3 。

類似的數(shù)學(xué)運(yùn)算可用于實(shí)現(xiàn)三個(gè)和四個(gè)LED的混色效果。

使用三個(gè)分檔的解決方案

圖10：三個(gè)LED到以247流明實(shí)現(xiàn)bin 7D3。

使用四個(gè)箱子的解決方案

使用顏色混合配方，對(duì)于每個(gè)色度目標(biāo)，有多種方法可以利用整個(gè)生產(chǎn)分布來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色一致且經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)結(jié)果。

Cree的混色工具，Binonator

Cree開(kāi)發(fā)了一種顏色混合工具軟件工具，用于自動(dòng)化顏色和通量數(shù)學(xué)，并在Cree的整個(gè)定義的XLamp顏色分級(jí)空間中顯示結(jié)果輸出。 6

Binonator是一個(gè)Microsoft Windows應(yīng)用程序，需要Microsoft Excel的本地副本才能正確執(zhí)行。它可從Cree網(wǎng)站進(jìn)行受控訪問(wèn)下載。除了Excel之外，binonator還需要Microsoft .NET 4.0框架才能運(yùn)行。下載的文件是一個(gè)自解壓縮的可執(zhí)行文件，用于在目標(biāo)計(jì)算機(jī)上安裝應(yīng)用程序和配置文件。

圖11：在322流明下實(shí)現(xiàn)Bin 7D3的四個(gè)LED。

聯(lián)系您的Cree銷售代表以獲取Binonator下載信息。

該工具允許用戶：

指定并可視化N步MacAdam橢圓周圍一系列相關(guān)色溫，以黑體線為中心。

指定一系列LED，每個(gè)LED都有相關(guān)的顏色和通量分檔。

計(jì)算產(chǎn)生的通量和色點(diǎn)。/li》

顯示上面第1項(xiàng)到第3項(xiàng)的圖形結(jié)果。

讀取和寫(xiě)入配方文件以檢索和存儲(chǔ)配方數(shù)據(jù)。

該工具使用以下假設(shè)：

任何特定顏色箱中任何LED的顏色點(diǎn)都是箱的平均值或中心。

LED的通量是所選顏色的最小通量助焊箱。

Cree的104個(gè)XLamp色箱中的任何一個(gè)都可用于創(chuàng)建結(jié)果，但使用寬間距和非相鄰色箱有實(shí)際限制，這是應(yīng)用，實(shí)施和視圖ER依賴。例如，街道照明 - 照明設(shè)備可以在照明表面上方10米（30英尺）處，照明光源相對(duì)于周圍環(huán)境非常明亮 - 是一種照明應(yīng)用，非常容易與各種不相鄰的顏色混合彩色垃圾箱。雖然非擴(kuò)散的室內(nèi)應(yīng)用（例如基于LED的T8發(fā)光管）在并排使用非相鄰顏色箱時(shí)可能表現(xiàn)出可察覺(jué)的顏色變化。在導(dǎo)出初始配方之后，在提交生產(chǎn)之前測(cè)試結(jié)果非常重要。

應(yīng)用程序被組織成單位（x，y）顏色空間的圖形顯示，狀態(tài)消息框（左下方） ，Target CCT的設(shè)置和MacAdam步驟的數(shù)量（顯示的底部，中間部分）和計(jì)算結(jié)果（右下側(cè)）。

通過(guò)在定義bin的平行四邊形中“右鍵單擊”選擇任何色度bin 。這將導(dǎo)致顯示一個(gè)菜單，其中包含所選bin的一對(duì)輸入值。左側(cè)的下拉菜單是與特定顏色箱相關(guān)聯(lián)的所有通量XLamp通量箱的并集。右側(cè)的單元格接受與bin關(guān)聯(lián)的整數(shù)個(gè)LED。左鍵單擊“提交”按鈕以選擇值。生成的bin將更改顏色以表示與bin關(guān)聯(lián)的非零值。在上面的圖12中，我們重新創(chuàng)建了圖11的手動(dòng)結(jié)果。

圖12：Binonator輸入屏幕。

顯示結(jié)果色度點(diǎn)，坐標(biāo)和光通量結(jié)果顯示在顯示屏的右下角。

圖13：Binonator輸入細(xì)節(jié) - 右鍵單擊bin以進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。

顯示目標(biāo)CCT和N步麥克亞當(dāng)橢圓的控件位于顯示屏的底部。這些是一對(duì)下拉菜單，用于顯示以CCT為中心的目標(biāo)相關(guān)色溫和N步麥克亞當(dāng)橢圓。這些項(xiàng)目允許圖形顯示顏色混合練習(xí)的目標(biāo)約束

圖14：CCT，MacAdam和非圖形結(jié)果的特寫(xiě)。最后，通過(guò)單擊“文件”對(duì)話框，可以將顏色混合配方保存到文件中并讀入加密器。

圖15：文件對(duì)話框 - 讀取和寫(xiě)入混色配方。

LED及其色度和通量分檔的集合稱為配方，并存儲(chǔ)在擴(kuò)展名為.cbr（Cree binonator recipe）的文件中。 Binonator允許將配方寫(xiě)入文件以進(jìn)行存儲(chǔ)和后續(xù)檢索。這些文件以基于XML的模式進(jìn)行組織。

結(jié)論

混合是實(shí)現(xiàn)一致，可重復(fù)的多LED燈具的有效技術(shù)。通過(guò)Binonator混合軟件，Cree提供了一種工具，可以幫助我們的客戶為其LED照明產(chǎn)品創(chuàng)建色度箱混合配方。

對(duì)于ANSI bin顏色空間中的任何所需色點(diǎn)，有大量的解決方案可供使用Cree的完整分銷，實(shí)現(xiàn)最佳的LED單位成本并提供一致的色點(diǎn)結(jié)果。

燈泡和燈具設(shè)計(jì)師將需要注意開(kāi)發(fā)適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)模糊LED陣列中的顏色變化。對(duì)于非常明亮應(yīng)用中的冷白光LED，例如路燈，幾乎不需要特別考慮混合光學(xué)器件。源與觀看者的距離與人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)藍(lán)色光譜的敏感度降低相結(jié)合，使得混合效果容易。暖白光LED陣列需要更加小心，以確保發(fā)生適當(dāng)水平的燈具內(nèi)混合，從而模糊每個(gè)LED的貢獻(xiàn)。

圖16：示例.cbr文件格式（XML）。