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LED顏色混合：基礎(chǔ)和背景莫進(jìn)平目錄1 簡(jiǎn)介21.1 LED照明顏色一致性的需求21.2 基本目標(biāo)32 LED Binning32.1 色度bins32.2 亮度bins43 使用照明規(guī)格書(shū)的色度學(xué)和分bins信息54 3種途徑54.1 購(gòu)買(mǎi)單一bin或者相鄰很近的bins54.2 使用cree EasyWhite 分檔64.3 在LED系統(tǒng)中進(jìn)行顏色混合64.4 設(shè)計(jì)案例：2900K74.4.1 用2個(gè)bins74.4.2 使用3個(gè)bins84.4.3 使用4個(gè)bins94.5 cree顏色混合工具，the Binonator94.6 結(jié)論125 附錄：色度學(xué)和分bins基礎(chǔ)145.1 色空間基礎(chǔ)145.2 理想照明色彩黑體輻射曲線165.3 麥克亞當(dāng)橢圓：用色空間表征的感知分辨率175.4 色空間的細(xì)分分bins195.4 總結(jié)201 簡(jiǎn)介這份應(yīng)用文檔解釋了一些基于LED發(fā)光的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)連續(xù)色彩上的方法以及引導(dǎo)讀者更有效地使用creeLED以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。LED，和其它半導(dǎo)體器件一樣，其結(jié)構(gòu)和材料的差異在不同的領(lǐng)域具有不同的應(yīng)用。在照明產(chǎn)業(yè)中，要考慮LED生產(chǎn)過(guò)程中的分bin和封裝的平衡。照明等級(jí)的LED產(chǎn)品在固體照明產(chǎn)業(yè)的刺激下發(fā)展，在應(yīng)用要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，包括了顏色的一致性，以及顏色和流明維持率。1.1 LED照明顏色一致性的需求在談到顏色的一致性使用圖片進(jìn)行講解效果會(huì)很好。下圖是一個(gè)我們?cè)噲D解決的一個(gè)問(wèn)題。圖1 照明技術(shù)對(duì)顏色一致性的要求雖然這張圖片是從建筑里選出的一組HID照明燈具的發(fā)光情況，但是足以說(shuō)明不期望出現(xiàn)的，因?yàn)樯a(chǎn)或者發(fā)光壽命的原因產(chǎn)生的顏色差異。在美國(guó)、歐洲甚至全球，伴隨LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，政策對(duì)LED產(chǎn)品的要求日益嚴(yán)格。比如說(shuō)，2010年美國(guó)在一份文件“能源之星:一體式LED燈具規(guī)格要求”里制定了嚴(yán)格的規(guī)定，其更重要的意義在于，第一個(gè)LED照明行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)了。此LED燈具要求優(yōu)先級(jí)高于2008年的文件“能源之星：固體照明規(guī)格要求”。這些文件里，針對(duì)能源之星認(rèn)可的LED照明產(chǎn)品都規(guī)定了CCT、CRI、光通量、顏色的一致性等參數(shù)，如下表引用的數(shù)據(jù)。表1 能源之星：一體式LED燈具規(guī)格要求這些規(guī)定指明了要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，從目標(biāo)的達(dá)成指導(dǎo)LED的生產(chǎn)。1.2 基本目標(biāo)任何一家和cree公司合作，為能獲得顏色一致的LED，有3種途徑。（1）購(gòu)買(mǎi)一種，或者很小范圍內(nèi)的bins。經(jīng)常性地購(gòu)買(mǎi)收集這類(lèi)型的LED是很合適的一個(gè)策略，但在面對(duì)LED的制造和供應(yīng)過(guò)程，這不是最能節(jié)省成本的辦法。（2）最早從2009年開(kāi)始，cree公司發(fā)布的EasyWhite系列產(chǎn)品中，cree能讓用戶(hù)在使用LED的過(guò)程以按近似白熾燈的方式進(jìn)行選擇，例如，指定了CCT和光通量。為方便客戶(hù)，在顏色混合方面，cree公司還開(kāi)發(fā)了EasyWhite系列中的XlampMC-E和MP-L這2款LED，（3）最有效率的傳統(tǒng)辦法是，購(gòu)買(mǎi)cree公司Xlamp系列的LED，在生產(chǎn)的全系列產(chǎn)品中，包含了不同亮度和色度的LED，為了使全光譜分配起作用，客戶(hù)要掌握彩光LED照明的系統(tǒng)的理論和色彩混合方法。和前面2中方式比較，色彩混合方法更加靈活，節(jié)約成本。2 LED BinningLED的分類(lèi)可以根據(jù)不同的特征用不同的方法描述。對(duì)顏色混合來(lái)說(shuō)，最重要的2個(gè)特征是顏色和亮度，收集整理這些參數(shù)是LED制造過(guò)程的內(nèi)容之一，同時(shí)也是本文在分bin上要談?wù)摰膬?nèi)容基礎(chǔ)。2.1 色度binsCree提供了行業(yè)中領(lǐng)先的芯片，在ANSI C78.377bins里定義的暖白、中性白、冷白光Xlamp系列中詳細(xì)定義了子bins。圖2 Xlamp暖白和中性白bins每一系列的產(chǎn)品都做好了分bin和標(biāo)記，客戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)cree LED時(shí)，能夠查找到足夠的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以在cree公司官方網(wǎng)站下載：。于2009年9月的分bin工作中，cree開(kāi)始發(fā)布了一款混合芯片LED，Xlamp MC-E EasyWhite，第二版的混合芯片系列是Xlamp MP-L EasyWhite，如下圖所示，EasyWhite混合芯片系列在LED的分bin中具有重要的里程牌式的意義。圖3 EasyWhite bins2.2 亮度bins發(fā)光亮度是國(guó)際單位中得基本單位，正如對(duì)顏色的感知屬于基本能力。不同的亮度可以對(duì)LED芯片進(jìn)行不同的排列，然后把光能量集中，可以達(dá)到不同的照明亮度。Cree LED在額定電流下具有特定的光電特性。如下表所示的例子：表2 cree LED亮度bins3 使用照明規(guī)格書(shū)的色度學(xué)和分bins信息為了弄明白為什么說(shuō)混合芯片LED顏色的混合是一種重要和有效的生產(chǎn)制造技術(shù)，假設(shè)在一次大地生產(chǎn)后得到如下圖色坐標(biāo)的LED。目前沒(méi)有一家LED生產(chǎn)廠家能生產(chǎn)出同樣色坐標(biāo)的白光LED，這即是說(shuō)生產(chǎn)的同一批次的LED中具有不同的色度分布，亮度分檔及庫(kù)存數(shù)目都取決于生產(chǎn)的結(jié)果。在一次生產(chǎn)結(jié)束后，LED器件發(fā)光亮度會(huì)分為幾個(gè)bins，表2中的P3檔到Q2檔都包含在內(nèi)，假設(shè)圖4中在一次生產(chǎn)中得到的不同色度和亮度分布的LED器件，部分檔次的具有相當(dāng)大的數(shù)量，而部分檔次的LED數(shù)量為0。圖4 LED器件bins假設(shè)分布圖客戶(hù)可能會(huì)指定一個(gè)色度要求，購(gòu)買(mǎi)特定的bin，比如說(shuō)7B4，一個(gè)3000K黑體輻射線附近的檔位，可是這部分的LED數(shù)量只占一次生產(chǎn)出來(lái)的數(shù)量的小部分。客戶(hù)如果有一種辦法使用更寬范圍的bins使達(dá)到同樣地效果，則比那些指定固定bins的客戶(hù)能節(jié)約更多的成本。4 3種途徑4.1 購(gòu)買(mǎi)單一bin或者相鄰很近的bins圖5 購(gòu)買(mǎi)單一檔次的，從價(jià)格層面考慮4.2 使用cree EasyWhite 分檔Cree EasyWhite LED是建立在顏色混合技術(shù)上的，提供了良好的樣色一致性和生產(chǎn)分揀性。圖6 購(gòu)買(mǎi)EasyWhite bins，從結(jié)構(gòu)分揀層面考慮4.3 在LED系統(tǒng)中進(jìn)行顏色混合在一些混合芯片LED應(yīng)用中，使用不同bins的混合白光LED混合出良好的顏色效果是最節(jié)約成本的。在以下的說(shuō)明中，我們講解用4顆不同bins的LED混合出和4顆同一bin的發(fā)光效果。在數(shù)學(xué)上這個(gè)結(jié)果能成立源于顏色和亮度是復(fù)合的。LED的色度特征可以用標(biāo)準(zhǔn)的色度坐標(biāo)（CIE1931 x，y色空間坐標(biāo)）和亮度（=Y）表示。三刺激值，顏色混合的數(shù)學(xué)理論，可以寫(xiě)成以下的形式：X=x*(Y/y)Y=YZ=(Y/y)*(1-x-y)最后混合的顏色決定于三刺激值的數(shù)值：Xmix=X1+X2+X3+X4 xmix=Xmix/(Xmix+Ymix+Zmix)Ymix=Y1+Y2+Y3+Y4and ymix=Ymix/(Xmix+Ymix+Zmix)Zmix=Z1+Z2+Z3+Z4 mix=Y1+Y2+Y3+Y4圖7 組合LED照明能混合顏色和節(jié)省成本在進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí)要有所警覺(jué)。為了獲得需要的效果，裝置在混合后必須要獲得遠(yuǎn)比觀察者所需的所過(guò)要多得多。相應(yīng)地還需要有一套二次配光的光學(xué)系統(tǒng)使光能均勻柔和混合為一體。4.4 設(shè)計(jì)案例：2900K這個(gè)案例只是解決方案中的一個(gè)。目標(biāo)是2900K色溫的照明效果，同時(shí)盡可能接近黑體輻射線。Cree 子bin中能滿(mǎn)足此要求的是7D3。假設(shè)照明裝置使用了LED模組設(shè)備，那么我們有許多種組合可以達(dá)到這個(gè)要求。4.4.1 用2個(gè)bins圖8 2顆Xlamp XP-E LED暖白光混合效果充分地混合后，結(jié)果顯示這2顆LED混合光效果在色度圖上落在了7D3區(qū)域。圖9 2顆LED混合達(dá)到7D3檔的效果使用同樣的數(shù)學(xué)方法，也能用2顆其他的或者4顆LED達(dá)到同樣的效果。4.4.2 使用3個(gè)bins圖10 3顆LED達(dá)到bin7D3的效果4.4.3 使用4個(gè)bins圖10 使用4顆LED達(dá)到bin7D3的效果使用顏色混合方法，對(duì)任何一種顏色都有多種組合可以有效率地利用現(xiàn)成的產(chǎn)品去達(dá)成預(yù)訂的光效目標(biāo)。4.5 cree顏色混合工具，the BinonatorCree開(kāi)發(fā)了一款軟件去自動(dòng)計(jì)算顏色和亮度的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后顯示所有使用cree Xlamp LEDcolor bin空間的結(jié)果。The Binonator是一款微軟操作界面的應(yīng)用軟件，要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)裝有Microsoft Excel軟件。這款軟件可以在cree公司的網(wǎng)站上下載。作為Excel的擴(kuò)展，the binonator要求要安裝了 4.0 framework以上的版本才能使用。該軟件允許用戶(hù)：（1）圍繞麥克亞當(dāng)橢圓上的相關(guān)色溫制定和假設(shè)N次步長(zhǎng)，在黑體輻射線上定中心；（2）指定LED序列，每個(gè)系列都和顏色和亮度相關(guān)；（3）計(jì)算最終的亮度和顏色坐標(biāo)點(diǎn)；（4）顯示以上3個(gè)內(nèi)容的圖表形式結(jié)果；（5）讀入和存取達(dá)成的組合結(jié)果。該軟件使用了以下的假設(shè)條件：（1）任何LED的特殊bins代表的顏色坐標(biāo)點(diǎn)位于bin的中心點(diǎn)或者平均值；（2）LED的亮度是所選bin里的最小值。任何cree公司的104種Xlamp LED顏色分檔都可以得到一個(gè)不同的結(jié)果，但是在大空間和不連續(xù)的顏色分檔情況下應(yīng)用上有根據(jù)實(shí)際情況有著不同的應(yīng)用，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，道路照明中燈具可能會(huì)安裝在10米高的地方，而光源相對(duì)于環(huán)境光來(lái)說(shuō)顯得很亮，這屬于照明應(yīng)用，同時(shí)也是對(duì)使用不同分檔的LED進(jìn)行顏色混合要求很低的應(yīng)用。當(dāng)在室內(nèi)非漫反射式，比如使用T8這種類(lèi)型的草帽頭LED，當(dāng)使用了不連續(xù)分bin的LED后，可能就會(huì)造成不同的顏色視覺(jué)差異。在確認(rèn)了熒光粉配方后，在確認(rèn)產(chǎn)品合格前，首先要根據(jù)設(shè)計(jì)的核心需求選定LED的組合。在應(yīng)用上，我們用（x，y）色坐標(biāo)顯示的圖表進(jìn)行表示，其中包含了一個(gè)狀態(tài)信息框（操作界面的左下方），麥克亞當(dāng)橢圓分辨率目標(biāo)色溫值（位于視窗的下部，中間部分）計(jì)算結(jié)果（左下部）。圖12 Binonator輸入窗口在平行四邊形上右鍵單擊選擇色度分檔。然后會(huì)彈出一個(gè)顯示窗口，這個(gè)窗口有2個(gè)輸入選項(xiàng)選擇分檔。在左邊的下拉菜單是Xlamp系列高亮度LED的相關(guān)分檔型號(hào)，右邊是選定分檔的LED數(shù)量。左鍵點(diǎn)擊“提交”按鍵選擇數(shù)值。最終計(jì)算出非零的相關(guān)分檔高亮標(biāo)示出來(lái)。如上圖12所示，我們重新設(shè)計(jì)了一個(gè)圖11所示效果的新組合。軟件最終會(huì)在視窗的右邊角顯示出色度，坐標(biāo)值，和亮度值。圖13 Binonator輸入細(xì)節(jié)右鍵單擊某個(gè)分檔輸入數(shù)據(jù)控制顯示CCT和麥克亞當(dāng)橢圓步長(zhǎng)目標(biāo)值的選項(xiàng)在視窗的下部，有2個(gè)下拉菜單顯示和相關(guān)色溫以及相關(guān)色溫的N階步長(zhǎng)麥克亞當(dāng)橢圓中心點(diǎn)。下圖所示的窗口顯示選項(xiàng)是一個(gè)控制色彩混合的例子。圖14 CCT、麥克亞當(dāng)橢圓非圖解例子最后，顏色組合結(jié)果可以保存為一個(gè)binonator文件，同時(shí)這個(gè)文件可以使用binonator打開(kāi)。圖15 文件菜單讀取和保存顏色混合組合保存的LED色度、亮度、bins信息保存在一個(gè)后綴名為.cbr的文件里。Binnonat允許計(jì)算結(jié)果在打開(kāi)文件時(shí)讀取。該格式的文件是基于XML架構(gòu)的。圖16 cbr格式舉例4.6 結(jié)論顏色混合是一種利用多顆LED達(dá)到光效要求的有用技術(shù)。使用Binonator這款軟件，cree公司提供了一個(gè)幫助客戶(hù)計(jì)算如何使用多顆不同bins的LED去得到所指定的色參數(shù)的方法。在ANSI分檔的色空間中，利用cree遍布色空間的LED分檔，有許多既能節(jié)省成本同時(shí)可以達(dá)到色度要求的LED組合方法。傳統(tǒng)燈光照明設(shè)計(jì)師需要注意考慮如何去排布LED使其能恰到好處地光混合為一體。在使用冷白光的LED進(jìn)行照明，比如說(shuō)道路照明，幾乎不會(huì)考慮到如何在光學(xué)設(shè)計(jì)上使光線混合，光源到照射面的距離足夠遠(yuǎn)，降低了人眼對(duì)事物的分辨率影響最大的藍(lán)光譜線的感知，使得光線能得到良好的混合效果。如果使用暖白光，就要注意利用合適的混光裝置使LED發(fā)出的光能很好地混合成一體。5 附錄：色度學(xué)和分bins基礎(chǔ)回顧高級(jí)顏色技術(shù)，我們很容易就可以理解LED的分bins原理和顏色混合。色度學(xué)是一門(mén)專(zhuān)門(mén)研究人眼對(duì)顏色感知的科學(xué)，同時(shí)包含了光譜和照明分析、以及人類(lèi)顏色的特殊感知。圖17 人眼對(duì)光譜的視覺(jué)能力：380780nm在色度學(xué)和LED分bins里有3個(gè)關(guān)鍵概念：（1）色空間，準(zhǔn)確描述物體顏色；（2）色溫，準(zhǔn)確地說(shuō)是相對(duì)色溫（CCT，correlated color temperature），用開(kāi)爾文溫度表征光源的顏色；（3）最后，根據(jù)人的顏色感知經(jīng)驗(yàn)和模型建立LED的分bins框架。感知心理學(xué)家注意到“異常感知力”這是一種人類(lèi)恰好能察覺(jué)變化發(fā)生主觀感知能力，是人類(lèi)感知變化在發(fā)生的關(guān)鍵。大衛(wèi).麥克亞當(dāng)，一個(gè)研究顏色的科學(xué)家，在20世紀(jì)中期工作于柯達(dá)公司，通過(guò)研究普通人群和特殊人群對(duì)顏色的感知能力，在色空間區(qū)域里作圖描述了之間的差異。照明設(shè)計(jì)師可能會(huì)試圖使用暖白或者中性白或者冷白光照明，人類(lèi)對(duì)顏色在色溫和色空間的感知能力這方面的知識(shí)可以讓設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)要求上預(yù)先選擇合適的LED進(jìn)行設(shè)計(jì)。5.1 色空間基礎(chǔ)顏色技術(shù)起源于人類(lèi)視網(wǎng)膜對(duì)顏色的特殊感知，在研究這種感知能力過(guò)程中建立了模型和標(biāo)準(zhǔn)，最常用的的理論是1931CIE色空間理論。它用作圖的方法，使用x,y表示不同的紅、綠、藍(lán)光的能量，紅綠藍(lán)組合得到的顏色。這個(gè)色度圖就成為了LED主要分類(lèi)和分bins的依據(jù)。圖18 人眼對(duì)光的感知如下圖19所示的1931CIE色坐標(biāo)圖改進(jìn)版。純度、飽和度最高的顏色位于色度圖拋物線的邊緣，白光則位于色度圖的中心位置，在照明應(yīng)用中，沿著色度圖的中心劃分一塊白光區(qū)域，而在此區(qū)域進(jìn)一步細(xì)化分bins。圖19 1931CIE色度圖我們從輻射通量或者相對(duì)光譜能量分布中，導(dǎo)出了光源色坐標(biāo)公式。如圖20所示。圖20 如何計(jì)算光源的x,y色坐標(biāo)值每種類(lèi)型的視網(wǎng)膜錐細(xì)胞都有3種感光度；另外一種說(shuō)法是人類(lèi)的視覺(jué)是基于三原色的。X,Y和Z表示了3原色的對(duì)錐細(xì)胞的刺激強(qiáng)度，這些公式的推導(dǎo)可以在許多資料上找到，本文只提供一個(gè)推導(dǎo)結(jié)果，細(xì)節(jié)不再贅述。色度學(xué)的最重要的特點(diǎn)用色空間表達(dá)了本質(zhì)的顏色感知能力。人類(lèi)感知能力其中的一個(gè)特征是“2個(gè)光源，是由不同波長(zhǎng)的光組成的，可能呈現(xiàn)出同一種顏色”，換個(gè)說(shuō)法是，“2個(gè)光源，當(dāng)使用了同樣的3原色比例，觀察者看到的是同樣的顏色，不管它們用了怎樣的光譜分布去組合而成”，如果2個(gè)光源具有同樣的3原色比例，那么在其在色空間的位置也是一樣的。*任何光源或者反射光的顏色都可以在色空間里定義；*2個(gè)具有不同寬光譜分布的光源可以在色空間有相同的數(shù)值；傳統(tǒng)照明光源以及特殊白光LED的生產(chǎn)，根據(jù)這個(gè)原理使用混合光源的方式可以得到多種不同效果的白光。圖21 2種使用LED產(chǎn)生白光的方法在圖21中，有2種方法可以產(chǎn)生具有相同x，y色坐標(biāo)的白光，但是其相對(duì)光譜分布是不一樣的。5.2 理想照明色彩黑體輻射曲線在CIE色空間里，其中一個(gè)重要的概念是CCT或者說(shuō)是相對(duì)色溫。其代表的物理意義是在20世紀(jì)后期伴隨著量子物理和光譜學(xué)中的“理想黑體”產(chǎn)生的，這個(gè)理想化的物體當(dāng)加熱時(shí)輻射能量，在非常高的溫度下一部分屬于可見(jiàn)光。圖22 CIE色度圖的黑體輻射線我們可以感性地理解為當(dāng)一塊金屬被加熱時(shí)，我們能看到發(fā)出紅光，黃色光，或者白色光。在黑體輻射線和測(cè)量科學(xué)中用一個(gè)國(guó)際單位來(lái)描述光源的這種發(fā)光現(xiàn)象，那就是CCT溫度，用開(kāi)爾文溫度做單位。27003000K色溫屬于暖白色，顏色是白中帶著黃色。35004000K色溫屬于中性白，45005500K是冷白光，略微帶點(diǎn)藍(lán)色調(diào)的白光。5.3 麥克亞當(dāng)橢圓：用色空間表征的感知分辨率圖23 在色空間中的顏色分bins顏色分bins在色空間中定義了一個(gè)平行四邊形的區(qū)域。為什么要這樣分呢？CIE色空間是一種客觀地表示顏色的方法。但是沒(méi)有2個(gè)人會(huì)對(duì)同一個(gè)顏色具有一樣的感知。對(duì)顏色的感知同時(shí)是存在著差異的是客觀存在的事實(shí)。所以怎樣定義人眼獲得的顏色感知呢？麥克亞當(dāng)，在之前有提到過(guò)，設(shè)計(jì)了一系列感知測(cè)試，讓一群在色彩方面受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的分別人參與測(cè)試并記錄結(jié)果。最后測(cè)試的結(jié)果顯示每個(gè)單獨(dú)的觀察者把色空間中某個(gè)橢圓內(nèi)的觀察到的顏色認(rèn)為屬于相同的顏色，如下圖所示。圖24 麥克亞當(dāng)橢圓麥克亞當(dāng)把這些橢圓認(rèn)為是人類(lèi)的共同現(xiàn)象，使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)這些感知的差異性進(jìn)行分析，可以在色空間上表示出來(lái)。實(shí)際情況是，麥克亞當(dāng)橢圓所代表的是在標(biāo)準(zhǔn)觀察者下得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，接近65%的人群對(duì)顏色的感知符合麥克亞當(dāng)橢圓情況。如果要推廣到95%或者99%的人群，要使該橢圓閉合可能會(huì)存在2倍甚至3倍的誤差。ANSI（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)）在定義顏色分bins時(shí)使用的平行四邊形是基于和麥克亞當(dāng)橢圓具有相同中心的相似橢圓定義的。ANSI在C78.377-2008標(biāo)準(zhǔn)中定義的LED分bins，包括了7個(gè)步長(zhǎng)的麥克亞當(dāng)橢圓，原始定義是用在其他的照明系統(tǒng)的磷光粉，比如說(shuō)緊湊型的熒光燈（CFL）。這些分bins是以黑體輻射線為中心進(jìn)行的。在圖25中，展示了這些標(biāo)準(zhǔn)。圖25 ANSI C78.377-2