CN105606212A - 一种led产品光通量及颜色维持寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，步骤包括：测量LED产品老化过程中各时间点下的光谱曲线；分析预测LED产品各光电参数随老化时间的变化曲线；进一步预测LED产品的光衰和色漂的变化曲线；最终预测LED产品的光通量维持寿命及颜色维持寿命。本发明提出的方法对老化条件下LED产品的光谱变化趋势进行预测，对研究LED产品的可靠性具有重要意义。

Description

一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法

技术领域

本发明公开了一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，涉及LED测试技术领域。

背景技术

目前对LED产品的光通量维持寿命和颜色维持寿命的预测基本上是分开进行的。LED产品的光通量维持寿命通常定义为产品的流明维持率衰减至初始值的70％时需要的时间。一般LED产品的光通量维持寿命为25000小时以上，因此往往基于数千小时的老化试验数据分结果对其进行光通量维持寿命的预测。目前应用最广泛地用于预测LED产品光通量维持寿命的计算方法来自于北美照明协会(IESNA)推出的IESTM-21-11标准。该方法采用最小二乘法将IESLM-80-08测试收集到的数据(即LM-80测试数据)进行e指数曲线拟合，并将拟合出的曲线外延至70％流明维持率处以获得被测产品的光通量维持寿命。VanDriel等人将统计学分析方法应用于e指数模型当中，获得了更加全面的LED产品的光通量衰减信息。Fan等人通过研究LED产品光通量分布与光通量维持寿命分布之间的联系，提出了一种基于数据驱动的光通量维持寿命预测模型。在之后的研究中，他们采用非线性滤波技术大幅减小了由测量数据不确定性引起的光通量维持寿命预测误差，提高了该模型的预测精度。同样考虑到测量误差带来的影响，TsengandPeng提出了一种基于Gauss-Markov随机过程的方法预测LED产品的光通量维持寿命。Huang等人则开发出基于Wiener过程的数学模型预测LED产品光通量维持寿命的累计分布函数(cdf)。

随着应用范围的持续扩大，LED产品的颜色质量在对颜色敏感的应用领域至关重要。例如，隶属于美国环境保护署的能源之星对通用照明产品规定其1976CIE色度坐标的漂移(du′v′)不能超过0.007。在某些特殊场合，对du′v′的要求更加严格，如不超过0.004或0.002。Fan等人观察到荧光粉转化白光LED的色漂du′v′服从一个双e指数模型的变化趋势。通过采用无敏Kalman滤波技术对双e指数模型进行外延，他们预测出白光LED的颜色维持寿命(即du′v′达到0.007需要的时间)

在所有上述介绍的研究中，LED的光通维持率衰减和颜色漂移被当做两个互相独立的失效模式对待。然而由于LED的光电参数均由LED的发光光谱(SPD)计算得出，这两种失效模式实际上是互相关联的。Huang等[7]通过使用Frankcopula方程引入了LED光衰失效和色漂失效之间的互相影响对LED整体失效的作用，从而预测了LED整体失效的累积失效概率方程。但是他们仍然没有考虑这两种失效模式之间的相互联系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，可以用于预测LED产品衰减过程中各时间点下的光谱，所预测的光谱可以直接用于该产品的可靠性设计中。通过对LED产品光谱的预测，本发明提出的方法可以对LED产品的光通量维持寿命和颜色维持寿命同时进行预测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，具体步骤包括：

步骤一、测量LED产品老化过程中各时间点下的光谱曲线；

步骤二、根据步骤一得到的光谱曲线，分析预测LED产品各光电参数随老化时间的变化曲线；

步骤三、根据步骤二的结果，进一步预测LED产品的光衰和色漂的变化曲；

步骤四、根据步骤一至步骤三的结果，预测LED产品的光通量维持寿命及颜色维持寿命。

作为本发明的进一步优选方案，LED产品的老化时间大于等于2000小时，光谱测量时间点大于等于4个，光谱测量时间点间隔小于等于1000小时。

作为本发明的进一步优选方案，步骤一中还包括，在LED产品老化前，使用积分球或分布式光度计测量LED产品的初始光谱。

作为本发明的进一步优选方案，设定LED产品的光谱曲线为一组具有不同峰值波长的单峰光谱曲线的叠加，采用公式(1)对LED产品的初始光谱进行光谱拟合：

${\mathrm{SPD}}_{LED}\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{SPD}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(1\right)$

其中，SPD_LED为LED产品的光谱，SPD_i为第i个单峰光谱，λ为波长，n为单峰光谱的数量。

作为本发明的进一步优选方案，还包括步骤五：

当满足下列任意条件时，终止老化试验并输出最终预测得到的LED产品的光通量维持寿命和颜色维持寿命，

501、连续4个老化时间点下预测得到的LED产品的光通量维持寿命和颜色维持寿命与各自的代数平均值之间的误差不超过±5％；

502、试验达到规定的老化时间。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：目前国内尚未发现用于LED产品颜色维持寿命的预测方法，本发明方法的出现将填补这一空白。此外，本发明提出的方法对老化条件下LED产品的光谱变化趋势进行预测，对研究LED产品的可靠性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图。

图2是本发明中，明视觉光谱光视效率函数示意图。

图3是本发明中，颜色匹配函数示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的整体流程示意图如图1所示，具体步骤包括：

(1)测量并计算实验数据，该方法使用的试验数据为老化过程中各时间点下的LED产品的光谱曲线，由积分球、分布式光度计或光谱仪测量得到。

(2)老化时间不少于2000小时，光谱测量时间点间隔不超过1000小时。

(3)预测LED产品老化过程中的光谱曲线。

(4)通过对预测得到的光谱曲线进行分析预测LED产品各光电参数随老化时间的变化曲线，进一步预测LED产品的光衰和色漂的变化曲线，并最终预测LED产品的光通量维持寿命及颜色维持寿命。

在对LED产品老化前，使用积分球或分布式光度计测量LED产品的初始光谱。本发明假设LED产品的光谱曲线为一组具有不同峰值波长的单峰光谱曲线的叠加，因此采用公式(1)对LED产品的初始光谱进行光谱拟合。

${\mathrm{SPD}}_{LED}\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{SPD}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(2\right)$

其中，SPD_LED为LED产品的光谱，SPD_i为第i个单峰光谱，λ为波长，n为单峰光谱的数量。构成LED整体光谱的每一个单峰光谱均由固定的经验方程，例如非对称高斯方程(公式(2))和Asym2sig方程(公式(3))，采用最小二乘法或最大似然法对LED产品的初始光谱进行拟合。

${\mathrm{SPD}}_{AG}=\left\{\begin{array}{cc}a\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_c)}^2}{w_1^2})& \mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_c\\ a\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_c)}^2}{w_2^2})& \mathrm{\λ}>{\mathrm{\λ}}_c\end{array}\right.---\left(2\right)$

${\mathrm{SPD}}_{AS}=a\frac{1-\frac{1}{1+\exp \{-(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_c)/w_1\}}}{1+\exp \{-(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_c)/w_2\}}---\left(3\right)$

公式(2)和公式(3)各有4个特征参数(即a₁,λ_c1,w₁₁和w₂₁)，因此拟合LED产品的光谱共需要4*n个特征参数。

完成初始光谱特征参数的提取后，开始对LED产品进行老化。老化试验总时间应不少于2000小时，用于测量LED产品光谱的时间点不应少于4个。经过指定的老化时间后测量LED产品的光谱，并提取该时刻下LED光谱的特征参数。两次光谱测量的时间间隔不超过1000小时。之后结合历史数据，使用公式(4)拟合LED光谱各特征参数随时间的变化。

y＝C₁exp(C₀t)(4)

式中，y为LED光谱的某一个特征参数，t为老化时间，C₀和C₁为针对于该特征参数变化趋势的拟合参数。当得到LED光谱的所有参数的C₀和C₁值后，指定一个足够长的老化时间序列(例如0，100，200，…，25000小时)，预测该序列每一时间点下的LED产品光谱特征值参数，进而预测出该时间点下的LED产品的光谱曲线。然后基于预测得到的光谱曲线，计算该间区间内LED产品的光电参数随时间的衰减，并绘制光通维持率(φ)的衰减曲线和色漂(du′v′)的增长曲线。LED产品的光通量维持寿命对应φ衰减至某一临界值(例如0.7)所需的时间，而其颜色维持寿命对应du′v′增长至某一临界值(例如0.007)所需的时间。LED产品的光电参数，如光通量(Φ)、CIE1931色坐标(x,y)、CIE1976色坐标(u′,v′)、标称色温(CCT)、光通维持率(φ)和色漂(du′v′)等参数由公式(5)-(10)计算得出。

$\mathrm{\Φ}=683{\∫}_{380}^{780}{\mathrm{SPD}}_{LED}\left(\mathrm{\λ}\right)V\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}---\left(5\right)$

式中，λ为光的波长，V(λ)是明视觉光谱光视效率函数，如图2所示。

$x=\frac{X}{X+Y+Z},y=\frac{Y}{X+Y+Z}---\left(6\right)$

其中， $X=\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{SPD}}_{LED}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ},Y=\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{SPD}}_{LED}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ},Z=\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{SPD}}_{LED}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}.$

式中X、Y和Z为光谱三刺激值,和为颜色匹配函数，如图3所示。

$u^{\′}=\frac{4x}{-2x+12y+3},v^{\′}=\frac{9y}{-2x+12y+3}---\left(7\right)$

CCT＝437n³+3601n²+6831n+5517其中， $n=\frac{x-0.3320}{0.1858-y}---\left(8\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_t}{{\mathrm{\Φ}}_{ini}}---\left(9\right)$

式中，Φ_t和Φ_ini分别为LED产品在该老化时刻下的光通量和光通量初始值。

${\mathrm{du}}^{\′}{v}^{\′}=\sqrt{{(u^{\′}-u_0^{\′})}^2+{(v^{\′}-v_0^{\′})}^2}---\left(10\right)$

式中，u₀和v₀为LED产品在该老化时刻下的CIE1976色度坐标，u₀′和v₀′为LED产品的CIE1976色度坐标初始值。

当满足下列任意条件时，终止老化试验并输出最终预测得到的LED产品的光通量维持寿命和颜色维持寿命。

1、连续4个老化时间点下预测得到的LED产品的光通量维持寿命和颜色维持寿命与各自的代数平均值之间的误差不超过±5％。

2、试验达到规定的老化时间。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一、测量LED产品老化过程中各时间点下的光谱曲线；

步骤二、根据步骤一得到的光谱曲线，分析预测LED产品各光电参数随老化时间的变化曲线；

步骤三、根据步骤二的结果，进一步预测LED产品的光衰和色漂的变化曲线；

步骤四、根据步骤一至步骤三的结果，预测LED产品的光通量维持寿命及颜色维持寿命。

2.如权利要求1所述的一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，其特征在于：LED产品的老化时间大于等于2000小时，光谱测量时间点大于等于4个，光谱测量时间点间隔小于等于1000小时。

3.如权利要求1所述的一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，其特征在于：步骤一中还包括，在LED产品老化前，使用积分球或分布式光度计测量LED产品的初始光谱。

4.如权利要求3所述的一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，其特征在于：设定LED产品的光谱曲线为一组具有不同峰值波长的单峰光谱曲线的叠加，采用公式(1)对LED产品的初始光谱进行光谱拟合：

${\mathrm{SPD}}_{LED}\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{SPD}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(1\right)$

其中SPD_LED为LED产品的光谱，SPD_i为第i个单峰光谱，λ为波长，n为单峰光谱的数量。

5.如权利要求1所述的一种LED产品光通量及颜色维持寿命预测方法，其特征在于，还包括步骤五：

当满足下列任意条件时，终止老化试验并输出最终预测得到的LED产品的光通量维持寿命和颜色维持寿命，

501、连续4个老化时间点下预测得到的LED产品的光通量维持寿命和颜色维持寿命与各自的代数平均值之间的误差不超过±5％；

502、试验达到规定的老化时间。