車用不同光束角燈具的光通量測(cè)試技術(shù)探討

李海濤，王永春，康 樂

（中檢西部檢測(cè)有限公司,陜西 西安 710032）

測(cè)試照明燈具光度和顏色參數(shù)的方法有相對(duì)法測(cè)試和絕對(duì)法測(cè)試兩種。相對(duì)法測(cè)試使用積分球測(cè)試系統(tǒng)完成，絕對(duì)法測(cè)試使用分布光度計(jì) （測(cè)角光度計(jì)）測(cè)試系統(tǒng)完成。兩種設(shè)備的測(cè)試原理不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備要求也不相同［1-3］。

積分球進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要求積分的內(nèi)表面為一個(gè)完整的幾何球面且內(nèi)表面半徑處處相等，球內(nèi)壁是中性均勻的漫反射面，在可見光范圍內(nèi)對(duì)各種波長(zhǎng)的光有相同的漫反射率，球內(nèi)沒有任何物體，測(cè)試中，內(nèi)表面各點(diǎn)的照度相等［4］。系統(tǒng)定標(biāo)用4π面發(fā)光的燈絲燈泡完成，而被測(cè)燈具光度分布類型及外形尺寸種類繁多，當(dāng)燈具形狀尺寸不同于標(biāo)準(zhǔn)燈的，必進(jìn)行自吸收系數(shù)校正。對(duì)于被測(cè)燈光度分布不同于標(biāo)準(zhǔn)燈，目前沒有相關(guān)的修正措施。

分布光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要求分布光度計(jì)的光度探測(cè)器到燈具光度中心的距離不應(yīng)小于燈具出光口面最大尺寸的15倍，對(duì)于窄光束燈具15倍測(cè)試距離也是不夠的。在整個(gè)測(cè)試空間內(nèi)無雜散光干涉，雜散光包括非分布光度計(jì)反射鏡反射后進(jìn)入光度探測(cè)器的光，以及外界光源產(chǎn)生并進(jìn)入光度探測(cè)器的光［5］?？偣馔客ㄟ^環(huán)帶光通量疊加得到，測(cè)試結(jié)果容易受到測(cè)試角度間隔的影響，尤其是窄光束燈具，因?yàn)檎馐鵁艟吖鈴?qiáng)分區(qū)曲線陡峭。

研究分布光度計(jì)和積分球系統(tǒng)測(cè)試光通量的方法，用12只樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它們的光束角分別是10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°和120°，樣品的編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#和12#。光束角定義為經(jīng)過燈具光束軸線的發(fā)光平面的兩條給定直線之間的夾角，這兩條直線分別通過燈的正面中心和發(fā)光強(qiáng)度為中心光強(qiáng)50%的發(fā)光點(diǎn)。為了避免線路功率損耗，所選燈具都是直流供電，通過額定電流點(diǎn)亮燈具。

1 分布光度計(jì)測(cè)試光通量

實(shí)驗(yàn)采用立式分布光度計(jì)進(jìn)行，系統(tǒng)通過十字激光對(duì)準(zhǔn)后，燈具的光度中心與分布光度計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心重合，燈具光度中心距離光度探頭的距離為2.50 m，滿足分布光度計(jì)測(cè)試距離的要求。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為25.0℃，環(huán)境相對(duì)濕度為33.7%，實(shí)驗(yàn)室無雜散光忽略。燈具穩(wěn)定時(shí)間為2 h，穩(wěn)定期間每15 min測(cè)量一次光通量和電功率， 30 min內(nèi)測(cè)得的各3個(gè)讀數(shù)值的差異 （最大－最小）小于3個(gè)讀數(shù)平均值的0.5%。達(dá)到穩(wěn)定要求后進(jìn)行光通量測(cè)試。分布光度計(jì)測(cè)試光通量在圖1所示的虛擬球面對(duì)照度積分完成，測(cè)試系統(tǒng)是C-γ系統(tǒng)，分別改變C和γ的間隔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

按標(biāo)準(zhǔn)要求，分布光度計(jì)設(shè)備C平面選擇的角度間隔分別是2.5°，5.0°、10.0°、15.0°和30.0°，γ選擇的角度間隔分別為0.5°、1.0°和2.0°。表1為兩款燈具在C平面測(cè)試間隔為5.0°情況下改變?chǔ)媒嵌鹊玫降墓馔恐?。?為γ為1.0°改變C測(cè)試角度間隔得到的光通量測(cè)試值。

圖1 光通量計(jì)算原理示意圖

理論上測(cè)試角度間隔越小測(cè)試數(shù)據(jù)越真實(shí)可靠，但是測(cè)試間隔越小耗費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)備也不可能達(dá)到無窮小測(cè)試間隔。從表1、表2可以看出測(cè)試結(jié)果受被測(cè)燈具光束角及測(cè)試角度間隔的影響，只有合理地選擇測(cè)試角度間隔才能得到準(zhǔn)確的光通量值，對(duì)光束角小于30°的燈具，C角度間隔不應(yīng)大于5°，γ角度間隔不應(yīng)大于1°；對(duì)光束角大于30°小于60°的燈具，C角度間隔不應(yīng)大于10°，γ角度間隔不應(yīng)大于1°；對(duì)光束角大于60°燈具，γ在2°范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，但是只要燈具光束角小于120°，C間隔就不能大于10°，否則會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

2 積分球測(cè)試光通量

實(shí)驗(yàn)采用2 m恒溫積分球進(jìn)行，積分球內(nèi)的溫度控制在25.0℃，相對(duì)濕度為33.7%，燈具穩(wěn)定時(shí)間為2 h，穩(wěn)定期間每15 min測(cè)量一次光通量和電功率，30 min內(nèi)測(cè)得的各3個(gè)讀數(shù)值的差異 （最大-最?。┬∮?個(gè)讀數(shù)平均值的0.5%。達(dá)到穩(wěn)定要求后進(jìn)行光通量測(cè)試。積分球的光度測(cè)試探頭安裝在積分球的側(cè)面，定義平行于光度探頭的軸為水平軸，光通量測(cè)試中，燈具光軸分別與水平軸的夾角為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，燈具安裝在積分球的幾何中心，具體測(cè)試方位如圖2所示。為了避免燈具及安裝方式對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，每只燈在每個(gè)方向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)都進(jìn)行自吸收系數(shù)校正。表3為不同夾角測(cè)得的光通量。

從表3可以看出，光束角小于100°時(shí)，燈具的光通量受燈具安裝角度的影響很大，積分球內(nèi)表面的照度值不相等才會(huì)有測(cè)試數(shù)據(jù)的不一致性。原因在于積分球系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)用的光通量標(biāo)準(zhǔn)燈是燈絲燈泡，是全空間發(fā)光型的燈具，在積分球內(nèi)能形成均勻的照度。光線在積分球表面的漫反射遵守朗博 （Lambert）余弦定律，即任意方向上光強(qiáng)Iθ=I0cosθ，I0為入射點(diǎn)所在曲面法線方向上的光強(qiáng)，與光入射方向無關(guān)。

表1 C平面為5.0°的光通量lm

表2 γ為1.0°的光通量lm

表3 不同夾角測(cè)得的光通量lm

圖2 不同發(fā)光方向的實(shí)驗(yàn)

積分球擋屏為防止光源或燈具發(fā)出光的直射，光束軸線與水平軸夾角為0°時(shí)，部分光線經(jīng)過擋屏邊緣在積分球內(nèi)表面反射，反射光再經(jīng)過擋屏反面反射后直接射向光度探頭，造成光通量測(cè)試值偏高；光束軸線與水平軸夾角為30°時(shí)，首次反射進(jìn)入光度探頭的光強(qiáng)為I75=I0cos75°；光束軸線與水平軸夾角為60°時(shí)，首次反射進(jìn)入光度探頭的光強(qiáng)為I60=I0cos60°；光束軸線與水平軸夾角為90°時(shí)，首次反射進(jìn)入光度探頭的光強(qiáng)為I45=I0cos45°；所以會(huì)出現(xiàn)夾角由30°增加90°測(cè)試得到的光通量逐漸增加，在90°時(shí)光通量反而降低是因?yàn)椴糠址瓷涔饩€被擋屏遮住。入射光與水平面夾角為120°、150°和180°時(shí)，第二次反射與水平軸線的夾角分別為60°、30°和0°，和首次反射有相同的原理，所以測(cè)試結(jié)果逐漸降低。

隨著燈具光束角增大，在不同安裝角度下光通量測(cè)試結(jié)果的差異逐漸減小，當(dāng)光束角達(dá)到100°時(shí)，被測(cè)樣品在積分球和分布光度計(jì)上測(cè)試的光通量值相等。

3 結(jié)論

燈具光度性能測(cè)試設(shè)備包括分布光度計(jì)系統(tǒng)和積分球系統(tǒng)，目前用的光通量標(biāo)準(zhǔn)燈發(fā)光面為4π，而被測(cè)燈具光度分布類型差異很大。由于分布光度計(jì)的光度探測(cè)器采集燈具直射的照度，光通量、光強(qiáng)等光度參數(shù)均間接計(jì)算得到，使用4π發(fā)光面的光通量標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行分布光度計(jì)定標(biāo)，只要確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無雜散光，測(cè)試距離不小于燈具發(fā)光面最大尺寸的15倍，就可以達(dá)到準(zhǔn)確可靠的測(cè)試結(jié)果。積分球內(nèi)的光度測(cè)試探頭采集的照度是反射光線的總和，對(duì)于窄光束燈具，第1次反射光、第2次反射光及第3次反射光均不能在積分球表面有均勻的照度分布，改變燈具在積分球內(nèi)不同的安裝角度就可得到不同的光通量測(cè)試結(jié)果，不存在合適的安裝角度去測(cè)試光通量，要得到準(zhǔn)確可靠的必須用與被測(cè)燈有相同光強(qiáng)分布的光通量標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行定標(biāo)，這顯然不可能實(shí)現(xiàn)，只要光束角不小于100°就可實(shí)現(xiàn)光通量準(zhǔn)確測(cè)試。