一致相关色温对LED照明的重要性及如何通过颜色混合实现这一性能

制造商努力生产具有一致相关色温（CCT）和发光输出的LED，但有些变化是不可避免的，并且消费者注意不需要太多差异。如果来自各个设备的光被灯具的内部光学器件充分混合，则构成单个灯具的几个LED中的CCT的一些变化不是问题。然而，对于大的内部空间或外部照明，其中几个照明器彼此靠近使用，颜色和亮度变化变得令人烦恼地显而易见。

一种解决方案是让灯具制造商购买已经由制造商分类的白色LED，以匹配CCT和发光输出组或“箱”。这种做法的缺点是价格昂贵。

另一种方法是使用两个或多个箱中的LED来产生所需的结果。这具有生产具有一致颜色的夹具并且比从单个箱中购买LED便宜的优点。

本文解释了CCT对LED照明的重要性，以及如何通过从离散箱中进行选择来实现这一点。然后描述了如何通过混合来自几个箱的不同颜色的LED（“颜色混合”）来实现相同的结果。

一致性问题

有几种生产白光LED的方法，但最常见的商业方法是将钇铝石榴石（YAG）荧光粉与皇家蓝LED结合使用。从LED发射的大多数光子被磷光体吸收，这种现象称为斯托克斯移位（Stokes Shifting），并且以不同的波长重新发射，主要在光谱的黄色部分。直接从LED中逸出的蓝色光子和来自荧光粉的黄色发射的组合产生了良好的近似白光。

巧妙地控制荧光粉化学，使LED制造商能够生产具有不同CCT的器件，这些器件位于普朗克黑体轨迹上，位于CIE xy 1931色度图的白色区域（图1）。 x和y坐标确定特定色度图的颜色空间上的点。

图1：具有普朗克轨迹和相关色温线的CIE xy 1931色度图。

制造商生产各种CCT的白光LED以适应特定应用，输出分类为“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客户可以“选择一个CCT”并制造一个灯具，知道它将以所需的光度发出恰好波长的光子。这就是理论，但不幸的是，在实践中事情并不总是那么好。

虽然LED供应商可以很好地让他们的设备发光非常接近指定的CCT，但固态照明是一项棘手的工作。几乎不可能保证来自不同批次或甚至同一批次的芯片将发出相同的颜色。材料和工艺的自然变化决定了输出在晶片表面上变化，一旦将基板切割成单独的LED，就会影响色度和光通量。

这种自然变化给照明制造商带来了挑战，特别是如果他们正在寻求获得其产品的能源之星评级。为了获得这样的认可，制造商的产品必须遵守一系列严格的LED照明应用性能要求，这些要求是在“整体LED灯的能源之星计划要求”等文件中提出的。¹本文件规定了CCT的要求，能源之星认可的LED照明产品的显色指数（CRI），流明和颜色维护。 （传统照明的制造商也采用了这些要求，根据颜色的一致性对产品进行“评级”。）

LED制造商采用的解决方案是确保产品的一致性，是从批量生产过程中对单个LED进行分类包含具有类似CIE颜色坐标（或CCT）的设备的“箱”。分组由CIE色度图上的小四边形确定，这些分箱的垂直组具有相同的CCT。主要的LED制造商使用符合ANSI C78.377-2008 LED分档标准的分级命名法和定义。图2显示了来自同一制造批次的设备如何分类到许多相邻的箱柜中。一些箱子包含许多LED，而其他箱子包含很少或根本没有。

图2：LED生产运行的假设色度变化（由Cree提供）。

制造商使用装箱作为确保装置颜色一致性的方法的一大缺点是成本高;从单个垃圾箱或一小组垃圾箱购买LED是很昂贵的（特别是如果选择的颜色来自包含少量设备的箱子或箱子）。

一些LED制造商通过减少客户可以选择的垃圾箱数量来降低成本。例如，Cree使用这种策略提供他们的Xlamp XM-L EasyWhite产品。如果顾客更喜欢，而不是从几十个色度箱中选择，则每个标准色温只有一个大的色度箱，这四个箱中的每一个都以普朗克轨迹为中心。从这些较大的垃圾箱中选择比从较小的垃圾箱中选择要便宜，但仍然比采用混色方法更昂贵。

混合和匹配

尽管现代LED具有高效率，例如欧司朗OSLON SSL等单芯片的功效为125 lm/W（3.1 V和350 mA），输出高达136 lm，单个设备本身不足以用于一般照明应用。家用环境的典型固定装置提供800至1，200流明的亮度。因此，制造商将几个LED组合在一个灯具中以提供令人满意的照明。

每个灯具有8个LED是典型的，偶然允许灯具制造商充分利用混色。该技术利用了LED色度和光通量是附加特性的事实。实际上，单个白色LED通过组合来自皇家蓝色LED和磷光体的发射来进行颜色混合，如图3所示。

图3：最流行的白色类型LED使用蓝色和黄色的加色混合，以在CIE xy 1931色度图的白色区域中产生位于普朗克轨迹上的色度。

混色的作用是因为人类色彩感知的关键特征。对于人眼来说，当它们具有相同的“三刺激”值时，两个光源看起来是相同的颜色，无论光的光谱分布如何用于产生它们。²（三刺激值是三种类型的度量的量度人眼视网膜中的视杆细胞对观察到的光源的不同波长和亮度起反应。）

使用“三色”加色模型将三刺激值转换为CIE xy 1931色度图。从LED输出的光的三原色值是从色度（色度图中的x，y）和通量（Φ= Y）导出的。

特定LED的实际三色值可以按如下方式计算：

如上所述，来自多个器件的三色值提供了附加效应，因此四个器件的组合将yield：

那么：

这种附加效应允许制造商通过将来自四个不同箱的LED的输出结合到一起来降低灯具成本满足他的CCT要求，而不是单个（昂贵的）垃圾箱。

照明设计师应注意，只有当灯具远离观察者时，混合才能很好地工作，因此来自四个灯箱的各个LED的光在到达观察者眼睛时已“混合”。或者，固定装置将需要一组位于LED附近的二次光学器件，以在光离开灯具之前彻底“混合”光。

一个实际的例子

考虑一个灯具设计师面临的挑战，该设计师的任务是生产一个发出“暖白”灯（3，000 K）的多LED灯具。他的第一个选择是从bin 7D3购买Cree的XP-E LED，它完全符合规格。然而，这也是最昂贵的选择，特别是如果固定装置注定要长时间保持生产。

第二种选择是通过从两个箱子购买设备来降低成本。表1详细介绍了该公司XP-E产品系列中两种合适选项的特性。

LED箱码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：来自这两个箱柜的Cree XP-E LED可以组合使用从箱7D3提供与单个装置相同色度的光。

使用上面详述的公式，这两种设备的最终颜色混合如下：

xmix = 0.4437

ymix = 0.4039

Φ= 161 lm

均匀混合时，组合输出与bin 7D3中的设备颜色相同，因此符合原始规范（图4）。

图4：混合来自箱7A1和8C3的输出产生来自箱7D3的装置的等效颜色（由Cree提供）。

根据灯具的发光度要求，照明工程师可以通过组合三个甚至四个箱的设备来进一步降低LED的成本。图5说明了四种设备的效果。

图5：在混合中再添加两个箱（7B2和8D4）保留与图4所示输出相同的颜色，但将发光输出增加到322 lm（由Cree提供）。

理论上，可以选择任意数量的色块进行色彩混合操作，但实际上，使用间距较大的应用程序，实现和查看器的色块存在一些实际限制。例如，街道照明，其中光源距离观察者很远并且相对于背景光非常明亮，使用来自宽间隔箱的LED的颜色混合非常宽容。然而，当采用来自非常不同的箱的LED时，非扩散的室内应用可能在光源中使用的各个LED之间表现出可察觉的颜色变化。

熟悉颜色混合技术的照明工程师可以很好地猜测哪个箱组合会聚在一个理想的CCT上。使用来自主要LED制造商的专用软件应用程序可以加速该过程。 Cree提供他们的“Binonator”PC软件应用程序，可从公司网站上进行受控访问下载。

总结

LED具有许多优点，包括高效率，长寿命和坚固性，但它们始终难以制造。供应商通过将产品分类到箱子中来克服这一挑战，每个箱子都包含一组紧密匹配的设备。然后，照明设备制造商可以从单个箱中选择LED以满足特定的CCT要求。

然而，先锋照明灯具制造商已经转变了将来自几个不同箱子的产品组合在一起的附加效果，以获得所需的CCT，因为它节省了资金。

仔细选择几个箱体来组成照明灯具中的LED可确保照明与采用单个箱体中的LED的比较灯具的颜色相匹配，前提是照明设计师注意确保各个LED的贡献在夹具中通过二次光学器件彻底混合。