制造商努力生產(chǎn)具有一致相關(guān)色溫（CCT）和發(fā)光輸出的LED，但有些變化是不可避免的，并且消費者注意不需要太多差異。如果來自各個設(shè)備的光被燈具的內(nèi)部光學(xué)器件充分混合，則構(gòu)成單個燈具的幾個LED中的CCT的一些變化不是問題。然而，對于大的內(nèi)部空間或外部照明，其中幾個照明器彼此靠近使用，顏色和亮度變化變得令人煩惱地顯而易見。

一種解決方案是讓燈具制造商購買已經(jīng)由制造商分類的白色LED，以匹配CCT和發(fā)光輸出組或“箱”。這種做法的缺點是價格昂貴。

另一種方法是使用兩個或多個箱中的LED來產(chǎn)生所需的結(jié)果。這具有生產(chǎn)具有一致顏色的夾具并且比從單個箱中購買LED便宜的優(yōu)點。

本文解釋了CCT對LED照明的重要性，以及如何通過從離散箱中進(jìn)行選擇來實現(xiàn)這一點。然后描述了如何通過混合來自幾個箱的不同顏色的LED（“顏色混合”）來實現(xiàn)相同的結(jié)果。

一致性問題

有幾種生產(chǎn)白光LED的方法，但最常見的商業(yè)方法是將釔鋁石榴石（YAG）熒光粉與皇家藍(lán)LED結(jié)合使用。從LED發(fā)射的大多數(shù)光子被磷光體吸收，這種現(xiàn)象稱為斯托克斯移位（Stokes Shifting），并且以不同的波長重新發(fā)射，主要在光譜的黃色部分。直接從LED中逸出的藍(lán)色光子和來自熒光粉的黃色發(fā)射的組合產(chǎn)生了良好的近似白光。

巧妙地控制熒光粉化學(xué)，使LED制造商能夠生產(chǎn)具有不同CCT的器件，這些器件位于普朗克黑體軌跡上，位于CIE xy 1931色度圖的白色區(qū)域（圖1）。 x和y坐標(biāo)確定特定色度圖的顏色空間上的點。

圖1：具有普朗克軌跡和相關(guān)色溫線的CIE xy 1931色度圖。

制造商生產(chǎn)各種CCT的白光LED以適應(yīng)特定應(yīng)用，輸出分類為“暖白”（2，600至3，700 K），“中性白”（3，700至5，000 K）和“冷白”（5，000至8，300 K） ）。

LED客戶可以“選擇一個CCT”并制造一個燈具，知道它將以所需的光度發(fā)出恰好波長的光子。這就是理論，但不幸的是，在實踐中事情并不總是那么好。

雖然LED供應(yīng)商可以很好地讓他們的設(shè)備發(fā)光非常接近指定的CCT，但固態(tài)照明是一項棘手的工作。幾乎不可能保證來自不同批次或甚至同一批次的芯片將發(fā)出相同的顏色。材料和工藝的自然變化決定了輸出在晶片表面上變化，一旦將基板切割成單獨的LED，就會影響色度和光通量。

這種自然變化給照明制造商帶來了挑戰(zhàn)，特別是如果他們正在尋求獲得其產(chǎn)品的能源之星評級。為了獲得這樣的認(rèn)可，制造商的產(chǎn)品必須遵守一系列嚴(yán)格的LED照明應(yīng)用性能要求，這些要求是在“整體LED燈的能源之星計劃要求”等文件中提出的。1本文件規(guī)定了CCT的要求，能源之星認(rèn)可的LED照明產(chǎn)品的顯色指數(shù)（CRI），流明和顏色維護(hù)。 （傳統(tǒng)照明的制造商也采用了這些要求，根據(jù)顏色的一致性對產(chǎn)品進(jìn)行“評級”。）

LED制造商采用的解決方案是確保產(chǎn)品的一致性，是從批量生產(chǎn)過程中對單個LED進(jìn)行分類包含具有類似CIE顏色坐標(biāo)（或CCT）的設(shè)備的“箱”。分組由CIE色度圖上的小四邊形確定，這些分箱的垂直組具有相同的CCT。主要的LED制造商使用符合ANSI C78.377-2008 LED分檔標(biāo)準(zhǔn)的分級命名法和定義。圖2顯示了來自同一制造批次的設(shè)備如何分類到許多相鄰的箱柜中。一些箱子包含許多LED，而其他箱子包含很少或根本沒有。

圖2：LED生產(chǎn)運行的假設(shè)色度變化（由Cree提供）。

制造商使用裝箱作為確保裝置顏色一致性的方法的一大缺點是成本高;從單個垃圾箱或一小組垃圾箱購買LED是很昂貴的（特別是如果選擇的顏色來自包含少量設(shè)備的箱子或箱子）。

一些LED制造商通過減少客戶可以選擇的垃圾箱數(shù)量來降低成本。例如，Cree使用這種策略提供他們的Xlamp XM-L EasyWhite產(chǎn)品。如果顧客更喜歡，而不是從幾十個色度箱中選擇，則每個標(biāo)準(zhǔn)色溫只有一個大的色度箱，這四個箱中的每一個都以普朗克軌跡為中心。從這些較大的垃圾箱中選擇比從較小的垃圾箱中選擇要便宜，但仍然比采用混色方法更昂貴。

混合和匹配

盡管現(xiàn)代LED具有高效率，例如歐司朗OSLON SSL等單芯片的功效為125 lm/W（3.1 V和350 mA），輸出高達(dá)136 lm，單個設(shè)備本身不足以用于一般照明應(yīng)用。家用環(huán)境的典型固定裝置提供800至1，200流明的亮度。因此，制造商將幾個LED組合在一個燈具中以提供令人滿意的照明。

每個燈具有8個LED是典型的，偶然允許燈具制造商充分利用混色。該技術(shù)利用了LED色度和光通量是附加特性的事實。實際上，單個白色LED通過組合來自皇家藍(lán)色LED和磷光體的發(fā)射來進(jìn)行顏色混合，如圖3所示。

圖3：最流行的白色類型LED使用藍(lán)色和黃色的加色混合，以在CIE xy 1931色度圖的白色區(qū)域中產(chǎn)生位于普朗克軌跡上的色度。

混色的作用是因為人類色彩感知的關(guān)鍵特征。對于人眼來說，當(dāng)它們具有相同的“三刺激”值時，兩個光源看起來是相同的顏色，無論光的光譜分布如何用于產(chǎn)生它們。2（三刺激值是三種類型的度量的量度人眼視網(wǎng)膜中的視桿細(xì)胞對觀察到的光源的不同波長和亮度起反應(yīng)。）

使用“三色”加色模型將三刺激值轉(zhuǎn)換為CIE xy 1931色度圖。從LED輸出的光的三原色值是從色度（色度圖中的x，y）和通量（Φ= Y）導(dǎo)出的。

特定LED的實際三色值可以按如下方式計算：

如上所述，來自多個器件的三色值提供了附加效應(yīng)，因此四個器件的組合將yield：

那么：

這種附加效應(yīng)允許制造商通過將來自四個不同箱的LED的輸出結(jié)合到一起來降低燈具成本滿足他的CCT要求，而不是單個（昂貴的）垃圾箱。

照明設(shè)計師應(yīng)注意，只有當(dāng)燈具遠(yuǎn)離觀察者時，混合才能很好地工作，因此來自四個燈箱的各個LED的光在到達(dá)觀察者眼睛時已“混合”。或者，固定裝置將需要一組位于LED附近的二次光學(xué)器件，以在光離開燈具之前徹底“混合”光。

一個實際的例子

考慮一個燈具設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)，該設(shè)計師的任務(wù)是生產(chǎn)一個發(fā)出“暖白”燈（3，000 K）的多LED燈具。他的第一個選擇是從bin 7D3購買Cree的XP-E LED，它完全符合規(guī)格。然而，這也是最昂貴的選擇，特別是如果固定裝置注定要長時間保持生產(chǎn)。

第二種選擇是通過從兩個箱子購買設(shè)備來降低成本。表1詳細(xì)介紹了該公司XP-E產(chǎn)品系列中兩種合適選項的特性。

LED箱碼xy Y（Φ）Im XP-E＃1 8C3 P3 0.4753 0.4263 74 XP-E＃2 7A1 Q2 0.4194 0.3866 87

表1：來自這兩個箱柜的Cree XP-E LED可以組合使用從箱7D3提供與單個裝置相同色度的光。

使用上面詳述的公式，這兩種設(shè)備的最終顏色混合如下：

xmix = 0.4437

ymix = 0.4039

Φ= 161 lm

均勻混合時，組合輸出與bin 7D3中的設(shè)備顏色相同，因此符合原始規(guī)范（圖4）。

圖4：混合來自箱7A1和8C3的輸出產(chǎn)生來自箱7D3的裝置的等效顏色（由Cree提供）。

根據(jù)燈具的發(fā)光度要求，照明工程師可以通過組合三個甚至四個箱的設(shè)備來進(jìn)一步降低LED的成本。圖5說明了四種設(shè)備的效果。

圖5：在混合中再添加兩個箱（7B2和8D4）保留與圖4所示輸出相同的顏色，但將發(fā)光輸出增加到322 lm（由Cree提供）。

理論上，可以選擇任意數(shù)量的色塊進(jìn)行色彩混合操作，但實際上，使用間距較大的應(yīng)用程序，實現(xiàn)和查看器的色塊存在一些實際限制。例如，街道照明，其中光源距離觀察者很遠(yuǎn)并且相對于背景光非常明亮，使用來自寬間隔箱的LED的顏色混合非常寬容。然而，當(dāng)采用來自非常不同的箱的LED時，非擴散的室內(nèi)應(yīng)用可能在光源中使用的各個LED之間表現(xiàn)出可察覺的顏色變化。

熟悉顏色混合技術(shù)的照明工程師可以很好地猜測哪個箱組合會聚在一個理想的CCT上。使用來自主要LED制造商的專用軟件應(yīng)用程序可以加速該過程。 Cree提供他們的“Binonator”PC軟件應(yīng)用程序，可從公司網(wǎng)站上進(jìn)行受控訪問下載。

總結(jié)

LED具有許多優(yōu)點，包括高效率，長壽命和堅固性，但它們始終難以制造。供應(yīng)商通過將產(chǎn)品分類到箱子中來克服這一挑戰(zhàn)，每個箱子都包含一組緊密匹配的設(shè)備。然后，照明設(shè)備制造商可以從單個箱中選擇LED以滿足特定的CCT要求。

然而，先鋒照明燈具制造商已經(jīng)轉(zhuǎn)變了將來自幾個不同箱子的產(chǎn)品組合在一起的附加效果，以獲得所需的CCT，因為它節(jié)省了資金。

仔細(xì)選擇幾個箱體來組成照明燈具中的LED可確保照明與采用單個箱體中的LED的比較燈具的顏色相匹配，前提是照明設(shè)計師注意確保各個LED的貢獻(xiàn)在夾具中通過二次光學(xué)器件徹底混合。