半導(dǎo)體照明器件色度參數(shù)在線快速評(píng)估方法

汪立文，王瀟瀟，萬(wàn)蘊(yùn)杰

(1.廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510010; 2.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510010)

引言

色差常用于表征照明產(chǎn)品的空間顏色分布均勻性、壽命期間內(nèi)的色漂以及批次產(chǎn)品的顏色一致性等性能，對(duì)半導(dǎo)體照明器件、照明產(chǎn)品的照明質(zhì)量、產(chǎn)品分選以及壽命評(píng)價(jià)均具有重要意義。本文適用于普通照明用的發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱LED)作為光源的半導(dǎo)體照明器件色差一致性在線快速評(píng)估方法，不包括有機(jī)發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱OLED)作為光源的半導(dǎo)體照明器件。

LED由于它發(fā)光效率高、可做成多種形狀和多種色彩等特點(diǎn)，已在照明、裝飾以及醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，已引起科技界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注, 成為半導(dǎo)體領(lǐng)域新崛起的研究熱點(diǎn)。關(guān)于LED光源色度指標(biāo), 國(guó)內(nèi)外都展開(kāi)了大量的研究，LED色度指標(biāo)是照明光源最基本最重要的性能指標(biāo)之一。如果不能科學(xué)合理地解決檢測(cè)色差問(wèn)題，高品質(zhì)半導(dǎo)體照明無(wú)從談起。本文研究單管白光半導(dǎo)體照明器件色溫與色品坐標(biāo)要求，半導(dǎo)體照明器件之間色容差、色差要求，給出相應(yīng)的半導(dǎo)體照明器件色度參數(shù)在線快速評(píng)估方法。

1 色度參數(shù)的計(jì)算方法及相應(yīng)要求

在點(diǎn)亮被測(cè)器件后，測(cè)量每個(gè)波長(zhǎng)時(shí)的光譜功率數(shù)值，即為光譜功率分布，取峰值波長(zhǎng)時(shí)的光譜功率值為100%，即可獲得相對(duì)光譜功率分布p(λ)。由p(λ)數(shù)據(jù)按下述公式(1)、(2)、(3)計(jì)算得到三刺激值X、Y、Z。

(1)

(2)

(3)

再按下述公式(4)、(5)、(6)、(7)計(jì)算得到CIE1931色度系統(tǒng)色品坐標(biāo)x、y。

(4)

(5)

(6)

x+y+z=1

(7)

利用公式(8)、(9)可以從 CIE 1931 色品坐標(biāo)x、y求出 CIE 1976UCS 色品圖上的色品坐標(biāo)u′、v′。

(8)

(9)

色度坐標(biāo)(x,y)的初始值距離標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)應(yīng)在5SDCM之內(nèi)，即色容差不大于5SDCM，色容差值應(yīng)滿足廠家標(biāo)稱的值。

g11Δx2+2g12ΔxΔy+g22Δy2=(SDCM)2

(10)

式中：Δx為x相對(duì)于目標(biāo)坐標(biāo)值的誤差；Δy為y相對(duì)于目標(biāo)坐標(biāo)值的誤差；g11g12g22為由標(biāo)準(zhǔn)顏色確定的系數(shù)，見(jiàn)表1。

熒光燈的6個(gè)相關(guān)色溫的麥克亞當(dāng)橢圓并不能完全表達(dá)宣稱色溫各異的各類(lèi)半導(dǎo)體照明器件的色差范圍，對(duì)于白光區(qū)域，在該6個(gè)CCTs以外的制定宣稱色溫，其各階麥克亞當(dāng)橢圓需要根據(jù)中心點(diǎn)以及麥克亞當(dāng)測(cè)量得到的25個(gè)原橢圓數(shù)據(jù)差值得到，但這些差值公式目前在任何國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有相應(yīng)定義，且即使規(guī)定差值公式，在實(shí)際應(yīng)用中也很復(fù)雜，不方便使用。

表1 標(biāo)準(zhǔn)顏色系數(shù)Table 1 Standard color coefficient

在評(píng)價(jià)空間顏色均勻性時(shí)，建議在均勻色空間(u，v)中計(jì)算的距離，用Δu′v′表示，并不鼓勵(lì)使用SDCM。在CIE1976 色坐標(biāo)體系中, 顏色的偏差用色差Δu′v′來(lái)定量描述。色差Δu′v′由式(11)給出，由任意一只半導(dǎo)體照明器件的CIE 1976 UCS 色品坐標(biāo)(u′,v′)可求出色差，其中色差計(jì)算的參照色坐標(biāo)為廠家標(biāo)稱色坐標(biāo)或指定參照色坐標(biāo)。

(11)

白光半導(dǎo)體照明器件相關(guān)色溫(CCT)和色品坐標(biāo)應(yīng)滿足表1的要求。表2中列出了8個(gè)推薦色調(diào)的白光半導(dǎo)體照明器件所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱CCT、中心色品坐標(biāo)(x,y)色溫允許范圍和色品坐標(biāo)允許范圍。除表1規(guī)定的8個(gè)標(biāo)稱色溫之外的半導(dǎo)體照明器件為非標(biāo)半導(dǎo)體照明器件。

ANSI在原麥克亞當(dāng)橢圓色差表示方式的基礎(chǔ)上，于2011年推出ANSI C78.377，以8個(gè)標(biāo)稱CCT和100K間隔的可變CCT的四邊形區(qū)域替代SDCM色差表示方法，并用于評(píng)價(jià)固態(tài)照明產(chǎn)品的色差范圍。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，四邊形與黑體軌跡相平行的兩條邊并非直線，而應(yīng)具有與黑體軌跡相似的曲線，這對(duì)各階四邊形及可變四邊形繪制應(yīng)用來(lái)說(shuō)，仍較為復(fù)雜。

白光半導(dǎo)體照明器件的平均顏色不均勻性不超過(guò)標(biāo)稱值，如無(wú)標(biāo)稱值，則用以表示平均顏色不均勻性的CIE1976色品坐標(biāo)差值Δu′和Δv′均不超過(guò)0.006。非標(biāo)白光半導(dǎo)體照明器件色坐標(biāo)的允許范圍為(Duv±0.006)。由CIE1960UCS色品圖的特性可知，該Duv的計(jì)算從數(shù)學(xué)角度可表述為在CIE1960UCS色品圖上待測(cè)光源的色坐標(biāo)點(diǎn)A到黑體輻射曲線的最短距離。

對(duì)于非標(biāo)半導(dǎo)體照明器件，其實(shí)際相關(guān)色溫值與標(biāo)稱值T的偏差允許范圍應(yīng)小于公式(12)計(jì)算值ΔT:

ΔT=0.0000108×T2+0.0262×T+8

(12)

式中，ΔT為實(shí)際相關(guān)色溫值與標(biāo)稱值T的偏差允許范圍；T為相關(guān)色溫標(biāo)稱值。

非標(biāo)白光半導(dǎo)體照明器件的中心色坐標(biāo)點(diǎn)位于相關(guān)色溫標(biāo)稱值T的等溫線上，在CIE1976色坐標(biāo)系統(tǒng)中，Duv值計(jì)算方法如公式(13)：

Duv=57700×(1/T)2-44.6×(1/T)+0.0085

(13)

式中：Duv——與CIE1976色坐標(biāo)系統(tǒng)(u′,2/3v′)色坐標(biāo)系統(tǒng)中的普朗克曲線的距離；

T——相關(guān)色溫標(biāo)稱值。

表2 白光半導(dǎo)體照明器件初始色度特性要求Table 2 Initial chromatic requirement of W-LED

該Duv的計(jì)算公式只能用來(lái)計(jì)算目標(biāo)色溫所對(duì)應(yīng)的色坐標(biāo)的Duv值，而不能用實(shí)際產(chǎn)品的色溫來(lái)計(jì)算相應(yīng)的Duv。如《輻射度光度與色度及其測(cè)量》中所述，CCT的定義以及計(jì)算只適用于色坐標(biāo)偏離黑體軌跡約±15個(gè)麥克亞當(dāng)橢圓的閾值范圍內(nèi)白光光源。

2 在線快速評(píng)估一般要求

測(cè)量應(yīng)在環(huán)境溫度為25℃±1℃，無(wú)對(duì)流風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行，測(cè)量時(shí)半導(dǎo)體照明器件的周?chē)鸁o(wú)明顯可察覺(jué)的空氣流動(dòng)(半導(dǎo)體照明器件處于靜態(tài)時(shí)周?chē)諝獾淖匀粚?duì)流除外)。測(cè)量應(yīng)在最大相對(duì)濕度為65%的環(huán)境中進(jìn)行。

使用直流電流源對(duì)半導(dǎo)體照明器件供電，電流大小為半導(dǎo)體照明器件的額定正向電流，如額定正向電壓為一個(gè)范圍，則在額定正向電流下工作的半導(dǎo)體照明器件的正向電壓實(shí)際值應(yīng)在額定正向電壓的范圍內(nèi)。

直流電流源的穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于0.1%，紋波系數(shù)應(yīng)小于0.5%。直流穩(wěn)流電源的最大輸出電壓和輸出電流均應(yīng)分別不小于工作電流和工作電壓的1.2倍，電測(cè)儀表具有直流電流/電壓測(cè)量功能，量程符合測(cè)量要求，準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1%。

半導(dǎo)體照明器件應(yīng)在制造商或銷(xiāo)售商標(biāo)稱的最大允許電流/電壓下能夠正常工作至少1min,且在回復(fù)額定工作狀態(tài)后，其色差滿足本文要求。

測(cè)量設(shè)備要求如下：光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈的性能應(yīng)符合JJG 384—2002的規(guī)定，分布(顏色)溫度標(biāo)準(zhǔn)燈的性能應(yīng)符合JJG 213—2003的規(guī)定，并在有效檢定期內(nèi)。

積分球與光譜輻射計(jì)結(jié)合稱為積分球光譜輻射計(jì)。積分球應(yīng)滿足GB/T 4057—2010中6.2.6的要求，光譜輻射計(jì)應(yīng)滿足GB/T 4057—2010中6.2.5的要求，光譜輻射計(jì)的光譜輻射強(qiáng)度或光譜輻射照度用滿足測(cè)量要求的光譜輻射強(qiáng)度或照度標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)，經(jīng)校準(zhǔn)后，其色品坐標(biāo)(x,y)測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.003，穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)光源下分辨率優(yōu)于±0.0002。 光譜輻射計(jì)除具備測(cè)量光譜功率分布值功能外，還應(yīng)具備測(cè)量色差值的功能，波長(zhǎng)范圍為380 nm～780 nm，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5 nm，光譜帶寬≤5 nm。用白熾燈作光源，設(shè)定單色儀的波長(zhǎng)為450 nm，在入射光的光路上插入截止波長(zhǎng)為500.5 nm±0.5 nm的玻璃濾色片，此時(shí)雜散光的輸出信號(hào)應(yīng)為未插入濾色片時(shí)光輸出信號(hào)的0.01以內(nèi)，探測(cè)器應(yīng)在線性范圍內(nèi)工作，測(cè)量光重復(fù)性應(yīng)在1%以內(nèi)。

3 在線快速評(píng)估方法

在規(guī)定的工作條件下，測(cè)量被測(cè)半導(dǎo)體照明器件之間的色差，步驟如下：

1)使用光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈或分布顏色溫度標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)光譜輻射計(jì)，用普通照明用LED標(biāo)準(zhǔn)燈或LED標(biāo)準(zhǔn)管、分布顏色溫度標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)積分球光譜輻射計(jì)；

注：用同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)LED模塊作為標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)積分球光譜輻射計(jì)，以得到較好的測(cè)量不確定度。如用普通白熾燈或鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)燈，則必須要設(shè)法消除因發(fā)光光譜、尺寸、外形發(fā)光光束形狀和發(fā)光顏色分布不均勻性等因素所帶來(lái)的誤差，詳見(jiàn)GB/T 24824中所述。

2)根據(jù)光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)波長(zhǎng)范圍選擇適宜的波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源。一般選用低壓汞燈或汞氬燈為標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行波長(zhǎng)校正；

3)在光譜范圍內(nèi)按照要求的波長(zhǎng)間隔調(diào)整單色儀的波長(zhǎng)，被測(cè)半導(dǎo)體照明器件位于積分球光譜輻射計(jì)的積分球中心或圖1中的位置，在取樣測(cè)量中保持完全靜止?fàn)顟B(tài)；

4)被測(cè)半導(dǎo)體照明器件安裝在自動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上，在點(diǎn)亮被測(cè)器件后，測(cè)量每個(gè)波長(zhǎng)的光譜功率數(shù)值，即為光譜功率分布，取峰值波長(zhǎng)的光譜功率值為100%，即可獲得相對(duì)光譜功率分布p(λ)；

5)轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)測(cè)量其他的半導(dǎo)體照明器件，按GB/T 7922、GB/T 5702或CIE 15:2004推薦的方法，儀器軟件計(jì)算被測(cè)半導(dǎo)體照明器件的平均顏色參數(shù)和色差。(注：色容差的中心點(diǎn)應(yīng)為ANSI C78.377、能源之星要求的中心點(diǎn)時(shí)，再測(cè)試讀取色容差值。)

光譜輻射計(jì)的入射多采用輻照度模式，照?qǐng)D1 所示可以有四種安排。如圖1(a) 所示積分球光譜輻射計(jì)采用總光通量法測(cè)量色差值；圖(b)用帶有漫透射器的光纖為輸入光路；(c)中，光源發(fā)出的光照射到漫反射器上，再被光譜輻射計(jì)接收；圖(d)用一開(kāi)口的小積分球接收入射輻射，積分球另一開(kāi)口對(duì)著光譜輻射計(jì)的入射狹縫。一般兩個(gè)開(kāi)口相距90°，積分球直徑約為50mm。如果為白光半導(dǎo)體照明器件，色差建議用(a)、(d)方法測(cè)量。

圖1 光譜輻射計(jì)的輸入光路Fig.1 The input light geometry for irradiance mode spectroradiometer

實(shí)現(xiàn)LED的在線測(cè)試，在硬件上必須滿足在對(duì)LED進(jìn)行輸送時(shí)能實(shí)現(xiàn)凌亂LED的自動(dòng)排隊(duì)，該系統(tǒng)實(shí)際是LED測(cè)試自動(dòng)生產(chǎn)流水線，它由LED基本輸送裝置(圓盤(pán)振動(dòng)輸送機(jī)、直線振動(dòng)輸送機(jī))、等間隔喂入裝置、送料裝置、通電夾緊裝置和測(cè)試儀組成。我們采用高精度快速光譜輻射計(jì)可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量色度參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

色差問(wèn)題在半導(dǎo)體照明行業(yè)里一直存在，如何科學(xué)有效地解決色差問(wèn)題，正考驗(yàn)著相關(guān)行業(yè)從業(yè)者的智慧，它不僅需要從業(yè)者掌握科學(xué)合理的方法，還需要LED芯片廠和半導(dǎo)體照明器件廠商的緊密配合，熒光粉制造工藝、光學(xué)材料等技術(shù)改良或更新，高要求的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)的更新，客戶的廣泛參與和監(jiān)督等諸多其他方面的配合。本文介紹的色度參數(shù)在線快速評(píng)估方法，將在半導(dǎo)體照明行業(yè)起到極其重要的作用。對(duì)此，我們將在今后的工作中進(jìn)行進(jìn)一步的探索和研究。

[1] 光源顯色性評(píng)價(jià)方法：GB/T 5702—2003[S].

[2] 均勻色空間和色差公式：GB/T 7921—2008[S].

[3] 顏色的表示方法：GB/T 3977—2008[S].

[4] 照明光源顏色的測(cè)量方法:GB/T 7922—2008[S].

[5] 普通照明用發(fā)光二極管性能要求:QB/T 4057—2010[S].

[6] 雙端熒光燈 性能要求:GB/T 10682—2010[S].

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[8] 普通照明用LED模塊測(cè)試方法:GB/T 24824—2009[S].

[9] 半導(dǎo)體發(fā)光二極管測(cè)試方法:SJ/T 11394—2009[S].

[10] 半導(dǎo)體照明術(shù)語(yǔ):SJ/T 11395—2009[S].

[11] LED的測(cè)量(MEASUREMENT OF LEDS):CIE 127—2007[S].

[12] 一般照明用LED模塊性能要求:IEC/PAS 62717[S].

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