如何解决室内LED灯具的光色一致性

1、 LED光色一致性问题的由来和现状 LED的光色一致性问题是LED整个产业链的一个非常头痛和难以解决的问题。其产生的根源可以追溯到LED的外延、封装工序，是影响LED在照明领域应用的严重缺陷。 LED的制造，从上游的芯片外延，到中游的荧光粉搭配、封装，每一步都会影响最终的光色。在外延部分，主要是LED芯片的波长对最终的LED光色有影响。一致性要求至少能达到3SDCM的LED灯珠，对芯片的要求是主波长范围约在2.5nm以内。现在比较成熟的4英寸和6英寸的外延片，可以切割出数以万计的LED芯片，由于工艺的限制，很难做到主波长范围都在2.5nm以内，如果对芯片进行挑选，将面临成品率不高，成本居高不下的问题。在封装端，主要是荧光粉的调配、荧光粉的厚度、均匀度和与LED芯片主波长匹配的问题，由于LED光色在封装端受到了多个参数的影响，其光色一致性非常难以控制。 在对颜色一致性的要求方面，传统光源的做法一般都是以麦克•亚当椭圆为规定的，是基于麦克•亚当对人眼对颜色的辨认所做的一系列实验的基础上总结出的一个范围，详细论述出自麦克•亚当的论文Specification of Small chromaticity Differences.以荧光灯为例，IEC标准规定荧光灯颜色不能超出5步麦克•亚当椭圆（5SDCM），而美国的ANSI C78.376-2001标准则要求不超过4SDCM。 对于LED，目前行业最广泛应用的标准是美国ANSI C78.377-2008标准，这个标准也是美国能源之星所引用的标准。此标准的要求是以大约与7步麦克•亚当椭圆相当的8个四边形为范围，对应于图2中的8个四边形。 LED作为新兴的光源技术，其光色一致性应该要比传统荧光灯有更大的改进才对，为什么反而比传统荧光灯的要求更低呢？ANSI C78.377-2008给出了如下解释“因为固态光源技术还处于初级阶段，光色的稳定性控制还没有荧光灯成熟。我们知道更小的范围当然是最好的，但基于上述理由我们制定了这个标准。所以，这个标准只是临时性的，会根据固态光源技术的进步而不断更新。”可以说，将LED的标准规定在7SDCM的范围内，实属无奈之举，只是一个权宜之计。如果在行业水平没达到的情况下，将标准提得太高，不但会而影响到厂家成品率，也可能导致大批产品的拒收，从而提高光源的成本，影响到ＬＥＤ在照明领域的应用，对快速发展的ＬＥＤ产业会产生负面的作用。 2、LED光色一致性不佳带来的问题 麦克•亚当在其论文Specification of Small chromaticity Differences中提出的每一个色容差的范围，都是基于对人眼的测试数据并统计出来的。以3000K色温来说，其1SDCM、2SDCM、4SDCM和7SDCM所代表的意义如表1所示。 北美的荧光灯标准ANSI C78.376-2001要求在4SDCM以内，是基于以上的理论来进行规范的。但如果光色一致性的只能做到7SDCM，那么色差的问题就非常严重。但是，由于目前的行业发展水平，很多厂家在大批量供货的时候，都只能提供符合7SDCM的产品，甚至有的还不止7SDCM。 我们以XPE系列和757系列为例可以看到，在一些型号上也是提供在ANSI C78.377-2008标准内的产品。由于7SDCM内的色差非常明显，一般LED厂家的作法是将一个大的ANSI色温区间进行再划分，分成16个小的BIN区。每个小的BIN区的一致性大约为2.5SDCM。在LED封装的后期工序，封装厂家通过分光分色，将落于每个小BIN区的LED光源进行统一包装，确保每个包装内的光源一致性，这在一定程度上解决了一致性的问题，只要供货的时候指定某一BIN，则可以一定程度上解决光色不一致的问题（如图3、图4所示）。 但是，指定少数的BIN毕竟上只是一个权宜之计。如果灯具应用厂家的进货量非常可观，LED封装厂家就面临非常大的出货压力，因为挑选的BIN毕竟只是生产的一部分，还有很多BIN也随着被挑选的BIN生产出来，灯具应用厂家进货越大，就有越多的BIN外BIN，LED封装厂家将面临非常大的库存压力。为了转移库存压力，LED封装厂家一般会对挑BIN价格进行相应的提高。这样，由于LED光色的一致性问题，导致了无谓的成本的增加。 在室内照明应用端，特别是在雷士照明最具有优势的商业照明应用上，7SDCM的色差是远远满足不了要求的。我们以3000K色温为例，挑选其中的三个BIN进行光色的对比，如下图5所示，三个BIN分别为A2、B4和C2，所使用的灯具为雷士TLED301A 30W-3000K/15°导轨射灯。此款灯具的功率为30W，色温为3000K，光束角为15°，灯具照射到漫反射的白墙上，光斑颜色为图6所示。从图6可以看出，落于黑体曲线下方的A3的颜色偏红，而在黑体曲线上的B4偏黄，C2与B4同为黑体曲线上方，但由于C2比B4偏离黑体曲线更远，其颜色比B4更黄。 在大批量灯具的应用场合，比如专卖店、商场、超市、机场等，如果出现上述的光色不一致，会给客户带来很大的问题，影响客户在其客户心目中的形象，以致带来不好的影响。而客户最终会投诉到灯具生产厂家，是灯具生产厂家蒙受损失。 3、 应用厂家解决光色一致性的思路和方法 随着消费者对光的品质的要求的不断增长，LED行业7SDCM的色容差已经远远不能满足消费者的要求。但是整体行业水平又做不到，LED应用厂家处于一个两难的境地。一方面，成本的压力使其不得不尽量接受多个光色BIN，从而导致色差问题，但是，另一方面，客户对色差的严格要求，又不能不考虑。 在雷士照明的实际工作中发现，对于某些室内灯具，比如导轨射灯，由于其是聚光型灯具并作为重点照明使用，其对颜色的一致性要求非常高。在一些使用环境，比如专卖店上白色背景的展示照明，颜色一致性要求更加苛刻，需要做到1-2SDCM才能满足要求，目前的LED封装厂家很难批量做到这个水平。 在经过长期的实践中，我们找到了一个很好的解决光色一致性的方法。除了COB光源外，一般LED光源功率都在3W以内，一个灯具一般少则用3颗LED光源，多的几十颗、上百颗都有，这就为颜色相混互补提供可能。以雷士照明锋景系列TLED301A 30W-3000K/15°导轨射灯为例，这款灯具使用15颗LED灯珠（如图7所示）。我们将厂家的16个小光色BIN进行进一步的筛选，将其中色温较低的C3、C4、D3（2870～2950K）和坐落在黑体曲线下方严重偏红的A1、A4、D1、D4七个筛选掉，保留其中的九个BIN，总体接受率较高，既可以保证大批量进货，又不会给封装厂家太大的库存压力。 我们取15的公约数3作为排列组合的基数，具体做法是用3颗不同光色BIN的LED灯珠组合在一起作为一个方案，这3颗不同光色BIN的组合如表2所示。以方案六为例，在色坐标图中，A2在9个BIN的左下角，而C2在右上角，B4在最中间，根据颜色的加法原则，几个颜色重叠混合，就可以将色坐标拉回到B4来，保证了光色一致性。而对于TLED301A 30W-3000K/15°导轨射灯的15颗灯珠，我们只要对每个方案取5组，在铝基板上贴上相应灯珠就可以了。而八个方案，可以讲所有的九个BIN区的ＬＥＤ全部覆盖，确保能将所有的来料消耗掉。 我们对上述八种方案进验证，其测试结果如表3、图8所示。 从上述结果来看，色坐标的位置非常集中，一致性非常好。左图色坐标与ANSI C78.376-2001标准3000K中心点的位置偏离较大是因为此款光源是根据ANSI C78.377-2008的标准，而ANSI C78.377-2008的四边形与ANSI C78.376-2001的麦克•亚当椭圆中心点不重合导致。而将中心点选择在X＝0.431，Y=0.406,则可以发现这些坐标点基本上落在1SDCM以内，光色一致性非常好。 光色的测试效果为如图9所示，光色已经非常接近，在白色背景下也比较难察觉色差。 有了3颗的混BIN方法作为基础，所有3的倍数的LED应用都可以像15颗的那样操作，只是简单地增加组数而已。其余4颗灯珠、5颗灯珠和7颗灯珠的灯具，也可以通过像3颗的那样进行具体的排列组合，其做法不一一详列（如图10所示）。 4、光色一致性问题展望 随着LED的发展，LED已经进入了普通照明应用领域。照明不但对光的亮度提出要求，对光的品质也提出很苛刻的要求。混BIN是LED行业的现状和发展水平达不到照明的品质要求而采取的一个在应用端做的解决方案，属于迫不得而为之的办法。在目前的阶段，混BIN的确可以给应用厂家解决光色不一致的问题。但有一点缺点，混BIN给应用厂家的来料检验、生产加工、库存管理都带来不少麻烦，需要比较精细的组织管理。 从LED应用厂家端，期望随着LED的不断发展，市场可以推出光色一致性更好的产品，彻底解决光色不一致的问题。可喜的是，我们已经见到PHILIPS,CREE这些行业巨头已经推出了一些免分BIN的产品。可以预见，未来免分BIN也只是一个时间的问题。