半导体照明器件色度参数在线快速评估方法

汪立文，王潇潇，万蕴杰

(1.广州计量检测技术研究院，广东 广州 510010; 2.广东省建筑设计研究院，广东 广州 510010)

引言

色差常用于表征照明产品的空间颜色分布均匀性、寿命期间内的色漂以及批次产品的颜色一致性等性能，对半导体照明器件、照明产品的照明质量、产品分选以及寿命评价均具有重要意义。本文适用于普通照明用的发光二极管(简称LED)作为光源的半导体照明器件色差一致性在线快速评估方法，不包括有机发光二极管(简称OLED)作为光源的半导体照明器件。

LED由于它发光效率高、可做成多种形状和多种色彩等特点，已在照明、装饰以及医疗等领域广泛应用，已引起科技界和产业界的极大关注, 成为半导体领域新崛起的研究热点。关于LED光源色度指标, 国内外都展开了大量的研究，LED色度指标是照明光源最基本最重要的性能指标之一。如果不能科学合理地解决检测色差问题，高品质半导体照明无从谈起。本文研究单管白光半导体照明器件色温与色品坐标要求，半导体照明器件之间色容差、色差要求，给出相应的半导体照明器件色度参数在线快速评估方法。

1 色度参数的计算方法及相应要求

在点亮被测器件后，测量每个波长时的光谱功率数值，即为光谱功率分布，取峰值波长时的光谱功率值为100%，即可获得相对光谱功率分布p(λ)。由p(λ)数据按下述公式(1)、(2)、(3)计算得到三刺激值X、Y、Z。

(1)

(2)

(3)

再按下述公式(4)、(5)、(6)、(7)计算得到CIE1931色度系统色品坐标x、y。

(4)

(5)

(6)

x+y+z=1

(7)

利用公式(8)、(9)可以从 CIE 1931 色品坐标x、y求出 CIE 1976UCS 色品图上的色品坐标u′、v′。

(8)

(9)

色度坐标(x,y)的初始值距离标准色度坐标应在5SDCM之内，即色容差不大于5SDCM，色容差值应满足厂家标称的值。

g11Δx2+2g12ΔxΔy+g22Δy2=(SDCM)2

(10)

式中：Δx为x相对于目标坐标值的误差；Δy为y相对于目标坐标值的误差；g11g12g22为由标准颜色确定的系数，见表1。

荧光灯的6个相关色温的麦克亚当椭圆并不能完全表达宣称色温各异的各类半导体照明器件的色差范围，对于白光区域，在该6个CCTs以外的制定宣称色温，其各阶麦克亚当椭圆需要根据中心点以及麦克亚当测量得到的25个原椭圆数据差值得到，但这些差值公式目前在任何国际标准中没有相应定义，且即使规定差值公式，在实际应用中也很复杂，不方便使用。

表1 标准颜色系数Table 1 Standard color coefficient

在评价空间颜色均匀性时，建议在均匀色空间(u，v)中计算的距离，用Δu′v′表示，并不鼓励使用SDCM。在CIE1976 色坐标体系中, 颜色的偏差用色差Δu′v′来定量描述。色差Δu′v′由式(11)给出，由任意一只半导体照明器件的CIE 1976 UCS 色品坐标(u′,v′)可求出色差，其中色差计算的参照色坐标为厂家标称色坐标或指定参照色坐标。

(11)

白光半导体照明器件相关色温(CCT)和色品坐标应满足表1的要求。表2中列出了8个推荐色调的白光半导体照明器件所对应的标称CCT、中心色品坐标(x,y)色温允许范围和色品坐标允许范围。除表1规定的8个标称色温之外的半导体照明器件为非标半导体照明器件。

ANSI在原麦克亚当椭圆色差表示方式的基础上，于2011年推出ANSI C78.377，以8个标称CCT和100K间隔的可变CCT的四边形区域替代SDCM色差表示方法，并用于评价固态照明产品的色差范围。该标准规定，四边形与黑体轨迹相平行的两条边并非直线，而应具有与黑体轨迹相似的曲线，这对各阶四边形及可变四边形绘制应用来说，仍较为复杂。

白光半导体照明器件的平均颜色不均匀性不超过标称值，如无标称值，则用以表示平均颜色不均匀性的CIE1976色品坐标差值Δu′和Δv′均不超过0.006。非标白光半导体照明器件色坐标的允许范围为(Duv±0.006)。由CIE1960UCS色品图的特性可知，该Duv的计算从数学角度可表述为在CIE1960UCS色品图上待测光源的色坐标点A到黑体辐射曲线的最短距离。

对于非标半导体照明器件，其实际相关色温值与标称值T的偏差允许范围应小于公式(12)计算值ΔT:

ΔT=0.0000108×T2+0.0262×T+8

(12)

式中，ΔT为实际相关色温值与标称值T的偏差允许范围；T为相关色温标称值。

非标白光半导体照明器件的中心色坐标点位于相关色温标称值T的等温线上，在CIE1976色坐标系统中，Duv值计算方法如公式(13)：

Duv=57700×(1/T)2-44.6×(1/T)+0.0085

(13)

式中：Duv——与CIE1976色坐标系统(u′,2/3v′)色坐标系统中的普朗克曲线的距离；

T——相关色温标称值。

表2 白光半导体照明器件初始色度特性要求Table 2 Initial chromatic requirement of W-LED

该Duv的计算公式只能用来计算目标色温所对应的色坐标的Duv值，而不能用实际产品的色温来计算相应的Duv。如《辐射度光度与色度及其测量》中所述，CCT的定义以及计算只适用于色坐标偏离黑体轨迹约±15个麦克亚当椭圆的阈值范围内白光光源。

2 在线快速评估一般要求

测量应在环境温度为25℃±1℃，无对流风的环境中进行，测量时半导体照明器件的周围无明显可察觉的空气流动(半导体照明器件处于静态时周围空气的自然对流除外)。测量应在最大相对湿度为65%的环境中进行。

使用直流电流源对半导体照明器件供电，电流大小为半导体照明器件的额定正向电流，如额定正向电压为一个范围，则在额定正向电流下工作的半导体照明器件的正向电压实际值应在额定正向电压的范围内。

直流电流源的稳定度应优于0.1%，纹波系数应小于0.5%。直流稳流电源的最大输出电压和输出电流均应分别不小于工作电流和工作电压的1.2倍，电测仪表具有直流电流/电压测量功能，量程符合测量要求，准确度优于0.1%。

半导体照明器件应在制造商或销售商标称的最大允许电流/电压下能够正常工作至少1min,且在回复额定工作状态后，其色差满足本文要求。

测量设备要求如下：光谱辐照度标准灯的性能应符合JJG 384—2002的规定，分布(颜色)温度标准灯的性能应符合JJG 213—2003的规定，并在有效检定期内。

积分球与光谱辐射计结合称为积分球光谱辐射计。积分球应满足GB/T 4057—2010中6.2.6的要求，光谱辐射计应满足GB/T 4057—2010中6.2.5的要求，光谱辐射计的光谱辐射强度或光谱辐射照度用满足测量要求的光谱辐射强度或照度标准灯校准，经校准后，其色品坐标(x,y)测量准确度优于±0.003，稳定的标准光源下分辨率优于±0.0002。 光谱辐射计除具备测量光谱功率分布值功能外，还应具备测量色差值的功能，波长范围为380 nm～780 nm，波长准确度优于0.5 nm，光谱带宽≤5 nm。用白炽灯作光源，设定单色仪的波长为450 nm，在入射光的光路上插入截止波长为500.5 nm±0.5 nm的玻璃滤色片，此时杂散光的输出信号应为未插入滤色片时光输出信号的0.01以内，探测器应在线性范围内工作，测量光重复性应在1%以内。

3 在线快速评估方法

在规定的工作条件下，测量被测半导体照明器件之间的色差，步骤如下：

1)使用光谱辐照度标准灯或分布颜色温度标准灯校准光谱辐射计，用普通照明用LED标准灯或LED标准管、分布颜色温度标准灯校准积分球光谱辐射计；

注：用同类型的标准LED模块作为标准灯校准积分球光谱辐射计，以得到较好的测量不确定度。如用普通白炽灯或卤钨灯作为标准灯，则必须要设法消除因发光光谱、尺寸、外形发光光束形状和发光颜色分布不均匀性等因素所带来的误差，详见GB/T 24824中所述。

2)根据光谱辐射计校准波长范围选择适宜的波长校准光源。一般选用低压汞灯或汞氩灯为标准光源进行波长校正；

3)在光谱范围内按照要求的波长间隔调整单色仪的波长，被测半导体照明器件位于积分球光谱辐射计的积分球中心或图1中的位置，在取样测量中保持完全静止状态；

4)被测半导体照明器件安装在自动移动平台上，在点亮被测器件后，测量每个波长的光谱功率数值，即为光谱功率分布，取峰值波长的光谱功率值为100%，即可获得相对光谱功率分布p(λ)；

5)转动自动移动平台测量其他的半导体照明器件，按GB/T 7922、GB/T 5702或CIE 15:2004推荐的方法，仪器软件计算被测半导体照明器件的平均颜色参数和色差。(注：色容差的中心点应为ANSI C78.377、能源之星要求的中心点时，再测试读取色容差值。)

光谱辐射计的入射多采用辐照度模式，照图1 所示可以有四种安排。如图1(a) 所示积分球光谱辐射计采用总光通量法测量色差值；图(b)用带有漫透射器的光纤为输入光路；(c)中，光源发出的光照射到漫反射器上，再被光谱辐射计接收；图(d)用一开口的小积分球接收入射辐射，积分球另一开口对着光谱辐射计的入射狭缝。一般两个开口相距90°，积分球直径约为50mm。如果为白光半导体照明器件，色差建议用(a)、(d)方法测量。

图1 光谱辐射计的输入光路Fig.1 The input light geometry for irradiance mode spectroradiometer

实现LED的在线测试，在硬件上必须满足在对LED进行输送时能实现凌乱LED的自动排队，该系统实际是LED测试自动生产流水线，它由LED基本输送装置(圆盘振动输送机、直线振动输送机)、等间隔喂入装置、送料装置、通电夹紧装置和测试仪组成。我们采用高精度快速光谱辐射计可以实现快速测量色度参数。

4 结束语

色差问题在半导体照明行业里一直存在，如何科学有效地解决色差问题，正考验着相关行业从业者的智慧，它不仅需要从业者掌握科学合理的方法，还需要LED芯片厂和半导体照明器件厂商的紧密配合，荧光粉制造工艺、光学材料等技术改良或更新，高要求的标准出台，检测机构对检测技术指标的更新，客户的广泛参与和监督等诸多其他方面的配合。本文介绍的色度参数在线快速评估方法，将在半导体照明行业起到极其重要的作用。对此，我们将在今后的工作中进行进一步的探索和研究。

[1] 光源显色性评价方法：GB/T 5702—2003[S].

[2] 均匀色空间和色差公式：GB/T 7921—2008[S].

[3] 颜色的表示方法：GB/T 3977—2008[S].

[4] 照明光源颜色的测量方法:GB/T 7922—2008[S].

[5] 普通照明用发光二极管性能要求:QB/T 4057—2010[S].

[6] 双端荧光灯 性能要求:GB/T 10682—2010[S].

[7] 黄艳等. CIE关于光源色差的最新技术注解解读[J]. 照明工程学报, 2013,24(6) :42-44.

[8] 普通照明用LED模块测试方法:GB/T 24824—2009[S].

[9] 半导体发光二极管测试方法:SJ/T 11394—2009[S].

[10] 半导体照明术语:SJ/T 11395—2009[S].

[11] LED的测量(MEASUREMENT OF LEDS):CIE 127—2007[S].

[12] 一般照明用LED模块性能要求:IEC/PAS 62717[S].

[13] Janos Schanda. Colorimetry-Understandin g the CIE system[M].John Wiley & Sons, Inc.,2007.

[14] 荆其诚, 焦书兰, 喻柏林,等. 色度学[M].北京：科学出版社, 1979.

[15] Double-capped fluorescent lamps-performance specifications：IEC 60081.Edition 5.1.2002.

[16] Specifications for the Chromaticity of Fluorescent Lamps:ANSIC 78.376[S].

[17] American National Standard for electric lamps-specifications for the Chromaticity of solid state lighting products:ANSIC 78.377[S].

[18] 金伟其，胡威捷.辐射度光度与色度及其测量[M].北京：北京理工大学出版社，2006.