低功率LED光源的小型分布式光色度計研究

蔡 怡 朱騰飛 張 俊 徐東英 慎月強(qiáng) 毛滋春

(1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，浙江杭州 310019;2.杭州新葉光電工程技術(shù)有限公司，浙江杭州 310013)

1 引言

LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、無頻閃等優(yōu)點，可用于指示、顯示、裝飾、背光照明以及普通室內(nèi)外照明等領(lǐng)域［1］，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有價值的新光源，將取代白熾燈和熒光燈成為照明市場的主導(dǎo)，使照明技術(shù)面臨一場新的革命。特別是目前LED燈的光效、配光和光衰都有了很大的改善［2］，但是關(guān)于LED燈顏色的問題研究比較少。特別是隨著LED燈大規(guī)模進(jìn)入室內(nèi)照明應(yīng)用，LED燈的顏色問題就顯得比較突出。

目前一般用于LED照明產(chǎn)品的是大功率白光LED，其主要是利用藍(lán)色LED芯片和黃色熒光粉光轉(zhuǎn)換，即直接在芯片表面涂覆熒光粉和硅膠混合體，由于涂覆的熒光粉粉層厚度很難控制，所以出現(xiàn)出射光空間顏色分布不均勻現(xiàn)象，即在不同的方向上的發(fā)光顏色不相同。LED燈具一般由多顆LED組成，熒光粉緊貼芯片發(fā)熱源，溫升導(dǎo)致熒光粉性能劣化，燈具散熱不均勻也會使得各區(qū)域溫度不一致，從而導(dǎo)致各區(qū)域LED發(fā)光顏色產(chǎn)生差別，出現(xiàn)較為明顯的空間顏色不均勻現(xiàn)象［3］。這種現(xiàn)象會嚴(yán)重影響照明效果，對室內(nèi)照明的影響尤為嚴(yán)重，因此對LED燈具空間顏色不均勻性的表征和測量是十分必要的［4］。隨著LED的發(fā)展逐步由室外照明進(jìn)入室內(nèi)照明并進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，美國能源之星標(biāo)準(zhǔn)IES LM79－2008［5］以及我們國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24824－2009［6］都對 LED的相關(guān)色溫及色品坐標(biāo)的空間分布提出了具體要求，因此研究開發(fā)一種小型分布式光度和色度測量專用檢測儀器很有必要，可以快速同步測量出LED光源的光度和色度空間分布情況。

2 測量原理

傳統(tǒng)的臥式分布光度計在測試燈具或光源的(空間)光強(qiáng)分布和總光通量中應(yīng)用非常廣泛。分布光度計一般采用照度積分法測量燈具的總光通量，即光度探測器保持不動，被測光源或燈具繞自身的光度中心自轉(zhuǎn)，在發(fā)射光達(dá)到整個角度區(qū)域內(nèi)選擇合適的角度間隔，測量以分布光度計的光度探測器到被測LED發(fā)光中心之間的測量距離為半徑的虛擬球面上的各點的照度，如圖1所示。平面間角度間隔一般為5°，平面內(nèi)的角度間隔一般為1°，當(dāng)被測LED尺寸較大或光束角較窄時，應(yīng)采用更小的平面間隔和角度步距，以保證照度分布的取樣完整性。對應(yīng)的總光通量 計算公式為式 (1)。

圖1 選擇合適的角度進(jìn)行測量的幾何圖

總光通量

式 (1)中，r為虛擬球面的半徑，Stot為虛擬球面的總面積，E(θ， )為空間角光強(qiáng)，θ為γ軸角度， 為C軸角度。

本小型分布式光色度計的色度分布測量是在原有分布光度計上安裝色度測量裝置，把光度色度探頭進(jìn)行集成，以實現(xiàn)同步測量光強(qiáng)分布和色度分布功能。測試方法相似于分布光度計，在測光暗室內(nèi)將被測光源以標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)安裝在分布式光色度計上，使光源的發(fā)光中心處于分布式光色度計的旋轉(zhuǎn)中心，以額定工作狀態(tài)點燃。光色度探頭在足夠多的發(fā)光平面上以足夠小的角度間隔測量每一方向上光源的光譜分布，并根據(jù)CIE色度學(xué)公式 (2)、(3)計算出空間每一方向的色度特性［7］。

式 (2)中X、Y、Z是CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)三刺激值; (λ)是色刺激函數(shù)的光譜分布 (光源相對光譜功率分布);是CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者色匹配函數(shù);△λ是波長間隔;k是歸一化系數(shù);式 (3)中x，y是CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的色品坐標(biāo)。

光源的總平均色度特性用數(shù)值積分加權(quán)平均的方法計算，光源在空間各方向的色度特性，按平均顏色不均勻性和最大顏色不均勻性的定義計算兩參數(shù)的量值。色品坐標(biāo)求出后，利用色品圖或計算方法即又可確定待測光源的色溫、顯色指數(shù)等其他色度參數(shù)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 自動測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動測量系統(tǒng)中采用三刺激值的色度傳感器取代光度傳感器，系統(tǒng)工作過程為:將光源固定在轉(zhuǎn)臺上，其中心與轉(zhuǎn)臺的水平、垂直兩驅(qū)動軸的交匯點重合。當(dāng)轉(zhuǎn)臺帶著光源繞垂直軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動時，其LED光源信號由光度色度傳感器接收，經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由微處理機(jī)系統(tǒng)經(jīng)USB送入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算分析并繪圖。因此其光學(xué)參數(shù)、數(shù)據(jù)分析處理等模塊都在計算機(jī)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，進(jìn)行同步的測量、數(shù)據(jù)傳輸及外圍設(shè)備控制，極大地提高了測試的速度。其測量系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

3.2 小型雙軸精密控制結(jié)構(gòu)

圖2 分布式光色度計自動測量系統(tǒng)示意圖

該控制結(jié)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動垂直軸旋轉(zhuǎn)，小型燈具安裝在垂直軸線和水平軸線的交點，因此需要設(shè)置兩個方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，并使該轉(zhuǎn)臺的垂直軸線固定，水平軸線可以移動，探測器被固定在離燈具一定距離的位置上，測試方案如圖3所示。由電機(jī)驅(qū)動垂直軸旋轉(zhuǎn)，探頭測量燈具在水平面上各方向的照度值和色度值，由此可以獲得燈具在此平面上的發(fā)光強(qiáng)度或照度以及色度的分布曲線。

圖3 測試方案

3.3 采集光度、色度的集成探測器件

測試系統(tǒng)的傳感器采用基于三刺激值的色度探測器件，并放置在光信號接收位置。色度傳感器中的Y傳感器可以實現(xiàn)常規(guī)分布式光度計中照度測量，色度傳感器實現(xiàn)對光源色品坐標(biāo)及相關(guān)色溫的測量。在測試過程中，由于光電探測器的光譜靈敏度、暗電流均受環(huán)境溫度的影響，因此探測器采用溫控光電探測系統(tǒng)。圖4為光度色度傳感器。

圖4 光度色度傳感器

3.4 測控分析軟件設(shè)計

分布式光色度計同時測量LED光源的光度和色度信號，系統(tǒng)軟件不僅可以顯示光強(qiáng)分布曲線和照度曲線，而且可計算和顯示被測LED光源的色品坐標(biāo)和相關(guān)色溫的分布特性，其直觀的光度和色度特性有利于用戶對LED光源的分析及分揀。

4 測量低功率LED光源的小型分布式光色度計樣機(jī)

實物樣機(jī)照片如圖5所示。

圖5 測量低功率LED光源的小型分布式光色度計的照片

5 實驗驗證

5.1 實驗方案

選取1只功率約4W的LED Par燈為樣品，如圖6所示。實驗設(shè)備采用GO－2000A分布式光度計(與HAAS－2000光譜輻射計配合使用)(設(shè)為1#設(shè)備)和本次研究的小型分布式光色度計 (設(shè)為2#設(shè)備)，測試方案采用B-β坐標(biāo)系統(tǒng)，B角度間隔為10°，β角度間隔為5°。對樣品燈采用相同的工作方式燃點，測量其光強(qiáng)分布、總光通量、相關(guān)色溫。實驗結(jié)束后，隨機(jī)選取 B0β0、B30β0、B60β0、B90β0、B30β30、B30β80、B30β280 共 7 個角度的發(fā)光強(qiáng)度和相關(guān)色溫數(shù)據(jù)以及總光通量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。

圖6 LED Par燈樣品

5.2 實驗數(shù)據(jù)

表1 發(fā)光強(qiáng)度數(shù)據(jù) (單位:cd)

表2 相關(guān)色溫數(shù)據(jù) (單位:K)

表3 總光通量數(shù)據(jù)表 (單位:lm)

5.3 實驗結(jié)果

由以上實驗數(shù)據(jù)的對比分析，可以看出新研發(fā)的測量低功率LED光源的小型分布式光色度計與現(xiàn)有的大型分布式光度計 (配合光譜輻射計)測試數(shù)據(jù)基本一致。

與一般分布式光度計相比，本小型分布式光色度計具有以下優(yōu)點:

(1)針對小型低功率LED光源的設(shè)計，被測樣品從單顆LED封裝到LED模塊，以及小型LED燈具都可進(jìn)行測量，所需測試空間小，基本型配置的光路距離約為3米，成本相對降低，測試硬件要求簡單，非常適合企業(yè)使用。

(2)有效集成光度和色度探頭，并保持集成探頭與原光度探頭大小一致，實現(xiàn)分布光度和分布色度數(shù)據(jù)的同時并行測量，測試時間大大縮短，有效提高測試效率。

(3)測試裝置中避免了使用反射鏡面，可以消除一般分布式光度計由于鏡面偏振引入的測量誤差，尤其適合有偏振性的燈具和光源測量要求。

6 結(jié)論

隨著節(jié)能新興光源的發(fā)展，LED產(chǎn)品的光度測量越來越受到人們的重視。由于LED產(chǎn)品的特殊性，為了實現(xiàn)總光通量的基準(zhǔn)測量，各國紛紛將研究重點放在了最基礎(chǔ)的照度積分法上，中國測光界在總光度測量方面也作了較為全面的研究。我們研究設(shè)計的分布光色度計除了能實現(xiàn)各種小型LED產(chǎn)品的總光通量、光強(qiáng)分布測量，而且能實現(xiàn)顏色分布的準(zhǔn)確高效測量，性能優(yōu)異，有望廣泛應(yīng)用于LED照明產(chǎn)品的生產(chǎn)和測試領(lǐng)域。

［1］劉洪春.新型LED鐵路隧道照明燈具性能和應(yīng)用分析［J］.中國照明電器，2012(2):21～28.

［2］徐文洪，莊美琳，楊永才，等.LED路燈相關(guān)色溫分布均勻性研究 ［J］.中國照明電器，2012(1):1～5.

［3］宋國華，繆建文，施建珍，等.一種提高白光LED相關(guān)色溫分布均勻性的方法 ［J］.光電子激光，2010，21(7):983～987.

［4］潘建根，李倩.LED燈具性能的表征與測量問題探討［C］//海峽兩岸第十六屆照明科技與營銷研討會.北京:中國照明學(xué)會，2009:89～95.

［5］llluminating Engineering Society.LM79－2008 Electrical and Photometric Measurements ofSolid-State Lights Products［S］.New York: llluminating Engineering Society，2008.

［6］中國輕工業(yè)聯(lián)合會.GB/T 24824—2009普通照明用LED模塊測試方法 ［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［7］全國顏色標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 3977—2008顏色的表示方法 ［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008，4～6.