普通照明用LED模塊光色性能測(cè)試方法的研究

汪立文，萬(wàn)蘊(yùn)杰，唐小軍，胡良勇，姜中蛟

（1.廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510010；2.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510010）

0 引 言

近年來(lái)，隨著LED技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，大功率半導(dǎo)體照明器件得到了飛速發(fā)展，特別是白光功率和光效不斷提高，LED逐步進(jìn)入照明領(lǐng)域，引發(fā)了一場(chǎng)新的照明技術(shù)領(lǐng)域的革命。其檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)成為世界LED產(chǎn)業(yè)所面臨的共同挑戰(zhàn)，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家均把LED標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)放在了極為重要的地位。在采用正確試驗(yàn)方法的前提下，準(zhǔn)確測(cè)量LED模塊的光色性能參數(shù)是科學(xué)評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能、質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)[1]。針對(duì)LED模塊光色性能檢測(cè)現(xiàn)狀，結(jié)合自己在LED模塊產(chǎn)品檢測(cè)工作中的積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)LED模塊光色性能的檢測(cè)方法做了總結(jié)。

1 LED模塊的光色性能

LED模塊的光色性能主要參數(shù)包括：光強(qiáng)分布、光通量、光強(qiáng)、光束角、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、色品坐標(biāo)、色品容差、平均顏色不均勻性和最大顏色不均勻性等[2]。

2 LED模塊測(cè)試環(huán)境和物理?xiàng)l件

LED模塊往往都有光學(xué)部件，所以要在相對(duì)干凈的環(huán)境中儲(chǔ)存和試驗(yàn)，產(chǎn)品上的透鏡要干凈沒(méi)有手印。試驗(yàn)的環(huán)境不能有過(guò)分的震動(dòng)和沖擊，減小空氣對(duì)流。由于LED照明產(chǎn)品性能參數(shù)對(duì)溫度較為敏感，在試驗(yàn)中周圍環(huán)境空氣溫度和濕度應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的環(huán)境要求：環(huán)境溫度為（25±1）℃，最大相對(duì)濕度為65%，無(wú)對(duì)流風(fēng)。LED模塊的發(fā)光特性有時(shí)會(huì)因散熱問(wèn)題受到燃點(diǎn)姿態(tài)的限制，在測(cè)量時(shí)，LED模塊在被測(cè)量時(shí)應(yīng)置于自由空間中，其燃點(diǎn)方向應(yīng)與其規(guī)定的設(shè)計(jì)或?qū)嶋H使用時(shí)的狀態(tài)相同，如無(wú)規(guī)定則LED模塊的發(fā)光面垂直向下。LED模塊需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定工作條件，15min內(nèi)光通量或光強(qiáng)變化小于0.5%即可認(rèn)為達(dá)到了穩(wěn)定的工作條件[3]。

3 LED模塊的光色性能檢測(cè)

3.1 光通量的測(cè)量方法

光通量的測(cè)量方法有：（1）照度積分法（基準(zhǔn)測(cè)量方法）；（2）光強(qiáng)積分法；（3）積分球系統(tǒng)的快速替代法。在認(rèn)證、計(jì)量實(shí)驗(yàn)室等要求比較高的場(chǎng)合建議使用照度積分法，當(dāng)對(duì)另兩種方法結(jié)果有疑議時(shí)，可與照度積分法的測(cè)量結(jié)果相比對(duì)[4-5]。

3.2 積分球系統(tǒng)的快速替代法

通常包括4π和2π兩種積分球的測(cè)量幾何，測(cè)量示意圖如圖1和圖2所示。如圖1（b）和圖1（c）所示，2π測(cè)量幾何的取光口位于積分球頂部雖然能夠使多數(shù)LED產(chǎn)品按照其標(biāo)準(zhǔn)的燃點(diǎn)姿態(tài)工作，但測(cè)試安裝比較困難，且積分球內(nèi)容易積累灰塵，影響積分球涂層反射率的穩(wěn)定性。考慮到上述問(wèn)題，圖1（b）所示的側(cè)邊取樣口方案更具有可行性[6]。4π積分球方法中被測(cè)LED模塊位于球的中心。2π積分球方法只適用于后部不發(fā)光的LED模塊[7]。

圖1 積分球測(cè)量示意圖

為使積分球替代法達(dá)到比較好的測(cè)量精度，用于定標(biāo)或校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)燈是關(guān)鍵。應(yīng)盡量使用同類型的標(biāo)準(zhǔn)LED產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)燈，以減小誤差，標(biāo)準(zhǔn)LED模塊的量值可通過(guò)更精確的方法測(cè)量，如國(guó)家計(jì)量院、高精度分布光度計(jì)等。測(cè)量原理如式（1）、式（2）和圖 2所示。

圖2中，光源S在球壁上任意一點(diǎn)B上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可得球面上任意一點(diǎn)B的光照度E為

式中：Φ——光通量；

R——積分球半徑；

ρ——積分球內(nèi)壁反射率；

E1——光源S直接照在B點(diǎn)上的光照度，其大小不僅與B點(diǎn)位置有關(guān)，也與光源在球內(nèi)的位置有關(guān)。如果在光源S和B點(diǎn)間放一擋屏，擋去直接射向B點(diǎn)的光，則E1=0，因而B(niǎo)點(diǎn)的光照度為

圖2 積分球測(cè)量原理示意圖

使用積分球測(cè)量LED模塊的光通量包括以下3種方法[8]：

（1）積分法。在積分球探測(cè)窗口上設(shè)置光度探測(cè)器，測(cè)量光通量，是利用特定濾色片配合光電探測(cè)器直接測(cè)得色度參數(shù)。

（2）分光法。在積分球探測(cè)窗口上設(shè)置光譜輻射計(jì)的取樣裝置，使用光譜輻射計(jì)測(cè)得的光譜功率分布計(jì)算光通量。分光法是通過(guò)單色儀分光測(cè)得LED光譜功率分布，利用色度加權(quán)函數(shù)積分獲得對(duì)應(yīng)色度參數(shù)。

（3）積分-分光結(jié)合法。在積分球探測(cè)窗口同時(shí)設(shè)置光度探頭和光譜輻射計(jì)的取樣裝置，光度計(jì)測(cè)量LED模塊的光通量，光譜輻射計(jì)測(cè)量LED模塊的平均光譜功率分布，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算光譜修正因子并用以修正光度計(jì)測(cè)得的值。

當(dāng)被測(cè)LED模塊與光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的相對(duì)光譜功率分布接近時(shí)，積分法可達(dá)到很高測(cè)量精度；當(dāng)被測(cè)LED模塊的最大光譜功率小于光通量標(biāo)準(zhǔn)燈所對(duì)應(yīng)的光譜功率，且兩者相差不大時(shí)，分光法具有較高的測(cè)量精度；當(dāng)被測(cè)LED模塊與光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的光通量大小和光譜功率分布存在較大差異時(shí)，建議使用積分-分光結(jié)合法，以使被測(cè)LED模塊在較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)得到較為精確的測(cè)量結(jié)果。

3.3 分布光度計(jì)系統(tǒng)

分布光度計(jì)系統(tǒng)包括照度積分法和光強(qiáng)積分法兩種測(cè)量方法。照度積分法測(cè)量原理如圖3和式（3）所示，掃描角度間隔的一般平面間角度間隔為5°，平面內(nèi)角度間隔一般為1°。光強(qiáng)積分法測(cè)量原理如圖4 和式（4）所示，距離必須足夠大，使平方反比關(guān)系成立。光度中心必須處于分布光度計(jì)的旋轉(zhuǎn)中心，掃描角度間隔的一般平面間角度間隔為10°，平面內(nèi)角度間隔一般為5°。光強(qiáng)積分法總光通量計(jì)算值與角度間隔之間的關(guān)系試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示[9]。

圖3 光通量的計(jì)算原理示意圖（照度積分法）

圖4 光通量的計(jì)算原理示意圖（光強(qiáng)積分法）

照度積分法總光通量計(jì)算：

表1 典型LED模塊：總光通量計(jì)算值與角度間隔之間的關(guān)系

由于照度積分法的測(cè)量對(duì)距離和被測(cè)光源的位置不敏感，且測(cè)量光束可以不經(jīng)過(guò)反光鏡等中間過(guò)程，從而能夠?qū)崿F(xiàn)很高的測(cè)量精度，是很多國(guó)家建立光通量國(guó)家基準(zhǔn)的測(cè)量方法。GB/T 24824-2009《普通照明用LED模塊測(cè)試方法》中同樣將照度積分法規(guī)定為基準(zhǔn)測(cè)量方法，IES LM-79-2008《固態(tài)照明產(chǎn)品的電氣和光度測(cè)量》雖然沒(méi)有明確將照度積分法定位為基準(zhǔn)測(cè)量方法，但其所描述精確測(cè)量光通量的條件即為照度積分法的條件。

4 空間光強(qiáng)分布和光束角的測(cè)量方法

利用分布光度計(jì)來(lái)測(cè)量光強(qiáng)分布，需保證平方反比關(guān)系成立，即使測(cè)量距離足夠大，能把被測(cè)物近似看成點(diǎn)光源，測(cè)量距離應(yīng)至少為L(zhǎng)ED模塊最大發(fā)光口面的5倍。對(duì)于光強(qiáng)分布曲線與余弦分布明顯不同的LED模塊，上述測(cè)量距離會(huì)帶1%的誤差，因此這種LED模塊的光強(qiáng)測(cè)量距離至少需要為最大發(fā)光口面的10倍。測(cè)量光強(qiáng)時(shí)的掃描角度間隔平面間角度間隔一般為10°或更小，平面內(nèi)的角度間隔一般為5°或更小。

在LED模塊的特征發(fā)光平面上，以≤1/20半峰光束角的角度間隔測(cè)量LED模塊的光強(qiáng)分布，根據(jù)光強(qiáng)分布曲線數(shù)據(jù)計(jì)算出半峰光束角。本文推薦使用雙鏡式分布光度計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于被測(cè)LED模塊和分布光度計(jì)系統(tǒng)均十分穩(wěn)定，而且系統(tǒng)占用的空間較小，該系統(tǒng)對(duì)反光鏡的質(zhì)量要求較高。

5 顏色特性的測(cè)量方法

顏色特性的測(cè)量方法包括分布光譜輻射計(jì)法和積分球法。當(dāng)對(duì)測(cè)量結(jié)果有爭(zhēng)議時(shí)，使用分布光譜輻射計(jì)法測(cè)量LED模塊的總平均色度特性。分布光譜輻射計(jì)法為將被測(cè)LED模塊夾持在分布光譜輻射計(jì)上，使LED模塊處于規(guī)定的燃點(diǎn)方向，LED模塊的發(fā)光中心處于分布光譜輻射計(jì)的旋轉(zhuǎn)中心。積分球法用白熾燈或鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)燈，對(duì)積分球系統(tǒng)定標(biāo)；再用同類型的LED模塊作為標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)積分球光譜輻射計(jì)，測(cè)量LED模塊的光譜功率分布，計(jì)算LED模塊的平均顏色參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)LED必須與測(cè)試樣品具有同樣的光譜功率分布，需要建立多種不同顏色的標(biāo)準(zhǔn)LED，特別是白光LED，由于它可由不同光譜組成，研制通用的白光LED標(biāo)準(zhǔn)幾乎不太可能。標(biāo)準(zhǔn)LED必須與測(cè)試樣品具有同樣的發(fā)光強(qiáng)度分布曲線（配光曲線），如果待測(cè)LED的顏色（光譜）與標(biāo)準(zhǔn)LED（光譜）有差異，則需對(duì)光度探器進(jìn)行光譜校正。

光源顏色特性的測(cè)量是光源檢測(cè)的一個(gè)重要方面，考慮到LED模塊的顏色特性可能是空間不均勻的，測(cè)量時(shí)通常需要測(cè)量光源平均顏色和空間顏色分布。

分布光譜輻射計(jì)法測(cè)量時(shí)掃描角度間隔平面間的角度間隔一般為10°，平面內(nèi)的角度間隔一般為5°。當(dāng)被測(cè)LED模塊尺寸較大或光束角較窄時(shí)，應(yīng)采用更小的平面間隔和角度步長(zhǎng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，空間顏色不均勻度表征用平均顏色不均勻性和最大顏色不均勻性表示[10]。

表2 典型LED模塊：色溫、色品坐標(biāo)計(jì)算值與角度間隔之間的關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

LED模塊光色性能參數(shù)測(cè)量可采用分布光度計(jì)或積分球系統(tǒng)測(cè)量，具體選擇哪個(gè)方法視所需測(cè)量的量（顏色特性、光特性）、產(chǎn)品的尺寸和其他要求而定。在正確試驗(yàn)方法前提下，通過(guò)合理選擇檢測(cè)方法達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量LED模塊的光電色性能參數(shù)，為科學(xué)評(píng)價(jià)LED模塊性能質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)提供數(shù)據(jù)支撐和質(zhì)量保證。

[1]GB/T 9468—2008燈具分布光度測(cè)量的一般要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]GB/T 7002—2008投光照明燈具光度測(cè)試[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3]IES LM 79—2008 Electrical and photometric measurements of solid-state lighting products[S].New York：the Illuminating Engineering Society，2008.

[4]IES LM 80—2008 Measuring lumen maintenance of LED light sources[S].New York：the Illuminating Engineering Society of North America，2008.

[5]GB/T 24823—2009普通照明用LED模塊性能要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[6]GB/T 24824—2009普通照明用LED模塊測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[7]GB/T 24907—2010道路照明用LED燈性能要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[8]GB/T 24909—2010裝飾照明用LED燈[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[9]陳超中，施曉紅，李為軍，等.LED燈具特性及其標(biāo)準(zhǔn)解析[J].中國(guó)照明電器，2010（11）：34-37.

[10]葉煒.積分式光測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展-全數(shù)字積分式光測(cè)技術(shù)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2004，15（1）：19-21.