LED燈具在線檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊靈華，王文杰，陳佩聰，樊榮濤

(東莞華明燈具有限公司，東莞 523653)

LED燈具在線檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊靈華，王文杰，陳佩聰，樊榮濤

(東莞華明燈具有限公司，東莞 523653)

色差問題在LED照明行業(yè)一直存在，如何科學(xué)合理地解決色差檢測問題，是考驗燈具企業(yè)品質(zhì)控制能力的一大難題。本文研究了一種LED燈具在線檢測系統(tǒng)，對LED燈具成品的光學(xué)和電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試，通過一系列的數(shù)據(jù)收集和分析，制定了一套科學(xué)可行的內(nèi)部檢測標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了根據(jù)光色差異對LED燈具進(jìn)行快速分類。

LED燈具；在線檢測；分選

引言

隨著LED照明行業(yè)的發(fā)展，市場對照明產(chǎn)品品質(zhì)要求越來越高。在大批量的燈具應(yīng)用場合，LED的光色不一致不僅會給客戶帶來困擾，也會影響燈具生產(chǎn)廠商的聲譽。LED的光色一致性問題一直是LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個阻礙，造成此問題的原因很多，可以追溯到LED產(chǎn)業(yè)鏈上游的材料外延生長、中游的芯片制造,再到下游的芯片封裝，產(chǎn)業(yè)鏈過長導(dǎo)致LED產(chǎn)品光色一致性的控制難度加大。LED照明處于整個LED產(chǎn)業(yè)鏈的下游，是直接與客戶連接的輸出口，因此如何在生產(chǎn)過程中對燈具光色一致性進(jìn)行控制，對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分檔，就顯得十分有必要。

現(xiàn)在一般LED燈具企業(yè)主要還是采用人眼目視的方法進(jìn)行控制和分檔，這種方法的缺陷是主觀性太強(qiáng)，由于個體之間會存在視覺敏銳度的差異，對于同樣的LED燈具出光，不同的個體會有不同的觀感，而且同樣的個體在不同的狀態(tài)下也會做出不同的判斷。

眾所周知，光色是可以測量的，使用顏色指標(biāo)評定產(chǎn)品的質(zhì)量更具客觀性和科學(xué)性，可以穩(wěn)定的把控每批燈具的出光品質(zhì)。目前已經(jīng)有燈具廠商開始采用實驗室抽檢的方式對燈具的光色一致性進(jìn)行控制，雖然能夠準(zhǔn)確的得到燈具的光學(xué)數(shù)據(jù)，但是實驗室檢測效率較低，無法滿足生產(chǎn)線高速運轉(zhuǎn)的要求，還需要耗費較多的人工成本和流轉(zhuǎn)成本，也無法實現(xiàn)出廠產(chǎn)品的全檢和分選。因此，開發(fā)一種穩(wěn)定可靠的LED燈具在線檢測系統(tǒng)，解決如上所述的LED燈具的光色一致性問題，不僅可以對LED燈具的光色品質(zhì)進(jìn)行量化，同時制定一套可行的分類判斷標(biāo)準(zhǔn)，對出貨的LED成品燈具，工廠端能實現(xiàn)高效、快捷的品質(zhì)追溯，提升品質(zhì)控制能力。

1 在線檢測系統(tǒng)簡介

一套完善的LED燈具在線測試系統(tǒng)必須要解決測試結(jié)果準(zhǔn)確和檢測快速的問題，同時還要對產(chǎn)品進(jìn)行快速分檔，滿足產(chǎn)品分選的需求。

考慮到生產(chǎn)車間的安裝問題，設(shè)計LED燈具在線檢測系統(tǒng)時要充分考慮積分球的體積大小、電氣設(shè)備的集成以及整個測試系統(tǒng)流程控制，此外，工裝夾具的機(jī)構(gòu)設(shè)計與運動機(jī)構(gòu)設(shè)計也是需要考慮的問題。本文研究的LED燈具在線測試系統(tǒng)如圖1所示。該在線測試系統(tǒng)包括光電測試設(shè)備和測試軟件兩部分。

圖1 LED燈具在線測試系統(tǒng)Fig.1 LED lamp online detection system

1.1 光電測試設(shè)備

光電測試設(shè)備主要由精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、光譜分析儀、DPS智能交流測試電源以及安裝在外部的積分球組成。使用光譜分析儀和積分球?qū)ι珳?、色坐?biāo)和顯示指數(shù)等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，經(jīng)校準(zhǔn)后，其色品坐標(biāo)(x,y)測量準(zhǔn)確度為±0.003，色坐標(biāo)重復(fù)性為±0.000 3，其余光參數(shù)精度為±0.2%。同時系統(tǒng)也會得出相關(guān)的電學(xué)參數(shù)。雖然測量時間短，但這套系統(tǒng)可實現(xiàn)LED的瞬態(tài)光學(xué)特性測量(脈沖測量)及穩(wěn)態(tài)光學(xué)特性測量(直流測量)，完全滿足IESNA LM-79和GB/T 24824等標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 測試軟件

該套系統(tǒng)可程控電壓，在軟件界面可根據(jù)需要輸入對應(yīng)的電壓、頻率。為便于將產(chǎn)品進(jìn)行分檔，對燈具出光坐標(biāo)范圍進(jìn)行設(shè)定，現(xiàn)有測試系統(tǒng)對燈具出光最多可分3類，圖2中四個指示燈分別代表A類、B類、C類以及不合格。軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，會有對應(yīng)顏色的指示燈亮，測試員只需依照指示燈提示對產(chǎn)品進(jìn)行分檔即可。

圖2 LED燈具分類指示燈Fig.2 Classify pilot light of LED lamp

2 在線測試系統(tǒng)評估方法

實現(xiàn)LED燈具的在線測試，必須滿足在對LED燈具能實現(xiàn)送樣、通電、測試以及取樣等步驟的快速操作。為滿足上述要求，夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用往復(fù)的直線運動結(jié)構(gòu)設(shè)計。測試過程中，將燈具固定在可移動的測試平臺上，接好輸入線后，啟動電動氣壓裝置，將LED燈具推入積分球內(nèi)，在線測試系統(tǒng)燈具在積分球中的測試位置如圖3(a)所示。到達(dá)測試位置后，燈具光色穩(wěn)定一段時間后開始進(jìn)行測試，光電測試數(shù)據(jù)會自動保存并進(jìn)行分析處理，相應(yīng)的指示燈亮。測試完成后，夾具自動退出積分球，取下燈具按照指示燈進(jìn)行分類，即可進(jìn)行下一輪測試。

圖3 測試燈具安裝示意圖Fig.3 Install sketch of LED lamp

積分球的開口尺寸約為300 mm×400 mm，小于此尺寸的燈具，可采用如圖3(a)所示的夾具系統(tǒng)。大于該尺寸的燈具，則采用如圖3(b)所示的安裝方式。由于燈具的尺寸大于積分球的開口，無法將其直接送入到積分球的內(nèi)部，只需將其固定在工作臺上，外部使用黑色幕布將其封閉，避免了測試儀器外部周圍的雜色的干擾。燈具的出光方向?qū)?zhǔn)積分球的開口，逸出的光被黑色幕布吸收，此種安裝方式不可避免會對LED燈具的總光通量造成損失，因此大尺寸的燈具在測試結(jié)果分析時可以不用考慮總光通量這一項參數(shù)。

為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測試溫度應(yīng)盡量滿足25 ℃±1 ℃，相對濕度應(yīng)小于65%，在無對流風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行，測量時LED燈具周圍無明顯的空氣流動。

3 在線測試系統(tǒng)的驗證與分檔標(biāo)準(zhǔn)確定

色容差是實測燈具坐標(biāo)值(x，y)偏離標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)目標(biāo)值的距離。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燈的色度坐標(biāo)(x，y)的初始讀數(shù)距離標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)應(yīng)在5SDCM之內(nèi)，即色容差≤5。ANSI 2011年推出 ANSI C78.377，以 8 個標(biāo)稱CCT和100K間隔的可變 CCT的四邊形區(qū)域替代SDCM色差表示方法，并用于評價固態(tài)照明產(chǎn)品的色差范圍。

要根據(jù)光色參數(shù)對LED燈具的進(jìn)行分類，首先需要制定一套可行的分類標(biāo)準(zhǔn)。在LED燈具大批量的測試前，先對實驗室標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測試，樣品色坐標(biāo)打靶測試結(jié)果如圖4所示。圖中的四邊形區(qū)域是LED光源廠商提供的色品坐標(biāo)允許范圍。我們可以看到，燈具的色品坐標(biāo)相對于LED光源供應(yīng)商提供的中心坐標(biāo)朝右下方偏移，這是由于廠商提供的規(guī)格書中的數(shù)據(jù)是基于冷態(tài)狀態(tài)下測試的數(shù)據(jù)，本文采用的是熱態(tài)測試，兩種測試結(jié)果本身是存在差異的，此外燈具受到光學(xué)器件和系統(tǒng)偏差的影響，在實際分類的過程中，需要對四邊形區(qū)域進(jìn)行平移校正。

圖4 抽檢LED燈具打靶圖Fig.4 Target zome of sampling inspection

計算該批燈具色品坐標(biāo)x和y的平均值，得出該批燈具的平均坐標(biāo)(0.434 6，0.400 3)，即認(rèn)為是該批燈具的校正后的色品中心坐標(biāo)值，將原LED光源色品坐標(biāo)四邊形整體進(jìn)行平移，得出校正后的色品坐標(biāo)允許范圍為(0.428 1,0.400 6)、(0.440 3, 0.404 9)、(0.440 3,0.404 9)、(0.428 1，0.440 6)。

該在線測試系統(tǒng)最多可以將產(chǎn)品分為三檔，基于質(zhì)量控制成本的考慮，以及方便出貨產(chǎn)品質(zhì)量的追溯，將產(chǎn)品分為A、B兩類。在本文中以按照色品坐標(biāo)上下分區(qū)為例。下半?yún)^(qū)色品坐標(biāo)允許范圍為(0.428 1,0.400 6)、(0.440 3,0.404 9)、(0.435 9,0.396 0)、(0.424 2,0.391 9)，落在此范圍內(nèi)的產(chǎn)品歸為A類；上半?yún)^(qū)色品坐標(biāo)允許范圍為(0.432 2,0.409 6)、(0.444 9,0.414 1)、(0.440 3,0.404 9)、(0.428 1，0.440 6)，落在此范圍的產(chǎn)品歸為B類；落在色品坐標(biāo)允許范圍外的產(chǎn)品則判定不合格。燈具的分類標(biāo)準(zhǔn)如圖5所示。

圖5 LED燈具分類標(biāo)準(zhǔn)Fig.5 Classify standard of LED lamp

由于積分球的尺寸有限，因此積分球的開口尺寸有限制，尺寸較大的燈具無法通過積分球開口推入積分球內(nèi)部進(jìn)行測試。只能采用圖3(b)所示的測試方式，這種測試方法會對總光通量造成損失，燈具只有一部分光進(jìn)入積分球內(nèi)，這一部分進(jìn)入積分球的光，即為我們測試的“色樣”。

對大尺寸燈具的“色樣”測試結(jié)果如圖6所示，從圖中我們可以看到，燈具的色坐標(biāo)相對于光源的四邊形區(qū)域向左偏移。采用上述的同樣的方法計算出出燈具的色坐標(biāo)平均值，然后對四邊形區(qū)域進(jìn)行校正，并且制定分檔標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 尺寸燈具色品坐標(biāo)校正圖Fig.6 Chromaticness coordinate correction sheet of big LED lamp test result of integrating sphere

制定好分類標(biāo)準(zhǔn)后，對線上的某批次產(chǎn)品進(jìn)行抽檢，采用積分球內(nèi)部測試和外部抽取“色樣”兩種方式進(jìn)行測試，分析 “色樣”的的實驗誤差。檢測結(jié)果見表1和圖7。

表1 積分球測試結(jié)果Table 1 Test result of integrating sphere

從表1中我們可以看出，兩種測試方式的測試結(jié)果存在輕微的偏差，色坐標(biāo)偏差ΔCx均小于0.001 2，ΔCy均小于0.001 8，對燈具的分類結(jié)果不造成影響。實驗結(jié)果如圖7顯示，無論是哪種測試方法，同一個燈具都得到相同的判定結(jié)果。并且對產(chǎn)品進(jìn)行分檔的目的是將光色相差較大的燈具區(qū)別歸類，因此，分檔測試不要求測試結(jié)果的絕對正確，只需將色坐標(biāo)相對較大的燈具分類出來即可。

圖7 積分球內(nèi)外部測試結(jié)果對比Fig.7 Comparison of test in and out integrating sphere

該在線測試系統(tǒng)與企業(yè)數(shù)據(jù)庫連接，通過記錄每批次產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，收集足夠多的數(shù)據(jù)，針對市場的接受程度，建立內(nèi)部燈具的可接受色容差的判斷標(biāo)準(zhǔn)。對每批次產(chǎn)品使用特定的條形碼進(jìn)行標(biāo)記，結(jié)合企業(yè)供應(yīng)鏈綜合管理，可以快捷高效的實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的追溯，提升品質(zhì)控制能力。

4 結(jié)論與展望

色差問題在LED照明行業(yè)一直存在，如果不能解決色差檢測問題，高品質(zhì)LED燈具照明就無從談起。本文研究了一種LED燈具在線檢測系統(tǒng)，通過一系列的數(shù)據(jù)收集和分析，制定了一套可行的內(nèi)部檢測標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了根據(jù)光色差異對LED燈具進(jìn)行快速分類，并且可以快捷的對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行追溯，這套在線測試系統(tǒng)和測試方法對LED照明行業(yè)有著重要的積極作用。

[1] 顏色的表示方法: GB/T 3977—2008[S].

[2] 荊其誠，焦書蘭，喻柏林，等．色度學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社，1979.

Study and Application of Online Detection System for LED Lamp

YANG Linghua, WANG Wenjie, CHEN Peicong,FAN Rongtao

(WACLIGHTING(DONGGUAN),CO．Ltd，Dongguan523653,China)

Color difference is an inevitable issue in LED lamp industry, how to properly detect the color difference is also a difficult problem for LED lamp manufacturer’s quality control. In this study, we proposed a realizable LED lamp online detection system to test chromatic and electronic parameters and made a practicable inner detection standard by gathering and analyzing the test data, the LED lamp can be rapid classified base on color difference by using this system.

LED lamp; online detection;classify

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.022