基于六西格玛设计方法的车内背光颜色优化

王正萃, 王忠良，曹雅

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545000)

0 引言

随着人们对驾乘品质要求的日益提升，车内背景灯光从不受重视的简单功能件，发展成为体现汽车内饰设计风格的重要元素，背光颜色和亮度的一致性，也极大影响驾乘空间的美观度和客户感知的舒适度，越来越受到主机厂和消费者的关注。

目前市场上车型品牌繁多，背景光颜色的运用各不相同，而对于主打车型的背光主色调，各大品牌都不约而同地选择了白色。而LED的白光是混合光，成本高，实现难度大。并且零件呈现出的最终颜色并非LED的颜色，同时还受到导光介质的影响。因此，要实现标准定义的颜色以及整体背光颜色的一致性是非常困难的，为此，本文作者尝试采用六西格玛设计方法，对车载白色背光出现的偏色问题进行分析和优化。

1 色品图的介绍

1931年，CIE国际照明委员会建立了一套界定和测量色彩的技术标准—— 1931 CIE-XYZ系统色品图如图1所示，该图是国际颜色测量的统一标准，是色度学的应用工具。绝大部分色度计算和色度测量仪器的设计、制造都以该图为基本依据。

图1 1931 CIE-XYZ系统色品图

色品图实际上就是一个色品坐标系，其中x色坐标相当于深灰色(红原色)在某一颜色中所占的比例，y色坐标相当于浅灰色(绿原色)在某一颜色中所占的比例，而z色坐标相当于黑色(蓝原色)在某一颜色中所占的比例；z色坐标值可由x+y+z=1求出[1]，理论上可以用x、y、(z)数值来表述任何颜色。

色品图上，在马蹄形图形内，包含了所有现实的颜色；图形外是假想颜色，不能实现。

2 影响背光颜色的因素分析

2.1 LED颜色

背光颜色根本上取决于LED光源的颜色。普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料[2]。所有的白光都是混合光,目前白光LED的主流制造工艺是：在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光[3]。由于工艺水平的限制，比如，蓝光芯片发光波长在460～463 nm，实际生产中很难保证在这个范围内；荧光粉形状、颗粒大小，点粉的厚度、均匀度无法做到完全一致；蓝光芯片和荧光粉波段的匹配性也较难保持完全的统一，因此白光LED存在色差在所难免。

LED行业通常用色区来划分LED产品，厂家将其肉眼看起来颜色差别不明显的LED归到一类，这样分选出来的LED在CIE中就对应了一个小的色坐标范围，这个小的色坐标区域就被定义为一个色区。用户需要根据需求选择不同色区的产品。图2为某企业LED产品色区划分情况。

图2 某企业LED产品色区划分

2.2 底材的颜色和透光率

一般背光零件面罩底材是透明的PC或PMMA，零件面罩底材的透光率影响背光的颜色和亮度，透光率高则亮度和颜色越接近背光源。

有些零件为了节省成本，采用单层漆的工艺，将黑色单层漆镭雕掉之后露出底材的颜色，底材的颜色就成为字符的颜色，这时候需要在底材中添加一定比例的色母粒进行调色，以使字符的颜色达到标准要求。色母的添加比例影响到底材的颜色，不同颜色的底材会吸收掉特定波长的光，进而影响到透过的光线的颜色。

另外，一些零件为了提高背光的亮度均匀性，采用了导光板或导光条作为导光介质，这时候应考虑导光介质的颜色和透光率对背光颜色的影响。

2.3 字符油墨颜色和厚度

一些背光零件的字符工艺采用双层漆工艺，以红色字符按键为例，先在按键的表面接喷涂红色油墨，此时红色油墨的浓度不能过高，喷涂的厚度也不能过厚，以便于透光。再往喷涂好红色油墨的表面再喷一层黑色油墨，最后再用镭雕机按键的表面进行激光雕刻，使其黑色的油墨脱落并露出红色的底，此时就可以看到红色的字符了。

不同颜色的油墨会吸收特定波长的光线，进而影响透出的光线的颜色。而油墨的厚度则影响透光率，油墨越厚，吸收的互补色光越多，颜色越深，亮度越低。

2.4 驱动电流

色品坐标、色温与正向电流关系密切，随着正向电流的增大，色坐标x、y均随之减小，颜色偏蓝。恒流源电源在允许的负载情况下，输出的电流是恒定的，不会随负载的变化而变化，因此，LED的驱动电源多数选择恒流驱动电源。

3 背光色坐标的优化

3.1 现状分析

背光零件认可过程中发现白光零件背光较标准样件颜色偏蓝，色调偏冷，与传统意义上的正白也有较明显的偏差。内饰设计师反馈白光颜色偏蓝，与屏幕的白色不协调，无法达到设计意图。

3.2 标准要求与零件色坐标表现

使用Lumicam1300背光测试设备对零件上各个背光元素的色坐标进行测量，如图3所示。企业标准要求的白色背光标准色坐标系统如图4所示，其中包含目标值和范围要求(涉及主机厂机密，故将标准数值隐去)，要求背光色坐标值分布在标准范围内，并且尽量接近于目标值，离散程度尽可能地小。由图可以看出，背光样件的色坐标分布于标准要求范围之外，且离散程度比较大。

图3 背光色坐标的测量

图4 白色背光标准要求及某车型空调控制器色坐标分布

3.3 参数分析与试验模型建立

采用DFSS六西格玛设计对影响背光颜色的各种因素进行稳健参数设计，分析各因子效应的显著性，找到最优的条件设置，以使零件的背光色坐标值与目标值更为接近，并减小其离散程度[5]。

空调控制器背光字符工艺为透明基材、双层漆镭雕，照明方式为单颗LED背光源直照。文中以典型字符“MODE”作为取点测试的对象，根据其背光颜色影响因素进行参数设计并建立正交试验模型，其中，4个因子为LED色区、油墨颜色、油墨厚度、底材透光率。这几个因子及安排的试验水平见表1。

表1 控制因子选取

4个因子都是3水平，因此选用L9正交表作为可控因子表，选定油墨厚度(±25%)、透光率(±5%)为误差因子，使用综合误差法，对表内的每行选取最不利状况，进行两次试验，并将色坐标测试值填入表2。

表2 正交试验数据表

3.4 试验结果分析

色坐标值无法直接衡量接近目标色坐标的程度，也无法直接用于试验结果的计算和分析，因此，计算测试色坐标值到目标色坐标值的距离，并填入C5和C6列，将望目型问题转化成望小型问题，距离越小，越接近目标色坐标值，使用MINITAB软件进行数据分析，选择望小特性信噪比计算公式，计算结果见表3。

表3 试验结果数据表

图5为信噪比响应。从极差的大小排秩中，可以看出在各个因子对信噪比的影响中，以LED色区最为重要，油墨颜色次之，底材透光率和油墨厚度影响较小。

图5 信噪比响应

图6为均值响应，从极差的大小排秩中，可以看出以LED色区最为重要，油墨颜色其次，油墨厚度影响较小，底材透光率几乎没有影响。

图6 均值响应

由图5和图6可知，因子LED色区、油墨颜色、底材透光率和油墨厚度对望小型信噪比都有一定程度的影响，因而为散度因子；因子LED色区、油墨颜色、油墨厚度对均值影响较大，因而都是位置因子，因子LED色区、油墨颜色、油墨厚度既是散度因子，又是位置因子。

3.5 优化与预测

按照望小型特性响应变量优化的基本方法，应先选出位置因子(LED色区、油墨颜色、油墨厚度)的水平，使位置达到最小。图7为田口设计均值主效应分析图,由图可知最佳水平为：LED色区取2水平，油墨颜色取3水平，油墨厚度取3水平。然后再选择非位置因子的散度因子(底材透光率)的水平使散度最小化，图8为田口设计信噪比主效应分析图，由图可知最佳水平确认为：底材透光率取3水平。由于这种最佳搭配并未在试验中出现过，因此，需要通过预测来确认这种搭配的均值和信噪比是否达到最佳水平。

图7 田口设计均值主效应分析图

图8 田口设计信噪比主效应分析图

使用MINITAB软件预测田口结果，选择各因子的最佳水平设置，得到预测结果如图9所示。由图可知，各因子最佳水平设置下，信噪比和均值都取得了相当好的结果。

图9 田口设计预测结果

3.6 验证

为了更准确地确认最后的结果，按照最佳水平搭配方案制作样件，然后利用Lumicam1300背光测试设备对新样件进行取点测试后，得到的字符背光色坐标分布如图10所示，距离目标色坐标值更近，颜色与标准样件无明显色差，离散程度也完全小于优化前的样件。最后经过专家和客户评审，达到背光认可状态。

图10 优化后样件背光色坐标分布

综上所述，字符白色背光偏色问题优化的试验、分析和验证全部完成，并确定了最终优化方案。文中优化设计节约了大量的样件试制成本和周期，最终有效提升了零件整体背光颜色的准确度和一致性。

4 结束语

文中选取某车型的空调控制器，通过完整的六西格玛稳健参数设计流程，建立了正交试验模型，并通过MINITAB软件进行了数据分析和结果预测，得到了最优的设计方案，最终通过样件的试制和结果的测试，验证了优化方案的准确性。

最终的优化方案说明了，对于双层漆工艺的零件，LED色区和油墨颜色是影响背光颜色的最重要的因素，而主机厂对字符的颜色都会有定义，先对字符的颜色进行认可，将字符颜色参数固化下来，再进行LED色区的调整，可以大大减少字符背光调整的成本和周期。而对于单层漆工艺的零件，影响背光颜色的因素主要有LED色区、底材颜色、底材透光率等因素，亦可以采用六西格玛设计流程进行设计优化。将文中的设计方法应用于之后的背光零件设计中，将会为背光品质的提升提供有效而快捷的途径。