普通照明用LED模块光色性能测试方法的研究

2012-07-14汪立文万蕴杰唐小军胡良勇姜中蛟

中国测试 2012年2期

汪立文，万蕴杰，唐小军，胡良勇，姜中蛟

（1.广州计量检测技术研究院，广东广州 510010；2.广东省建筑设计研究院，广东广州 510010）

0 引言

近年来，随着LED技术的持续发展，大功率半导体照明器件得到了飞速发展，特别是白光功率和光效不断提高，LED逐步进入照明领域，引发了一场新的照明技术领域的革命。其检测方法和评价标准成为世界LED产业所面临的共同挑战，世界主要发达国家均把LED标准和检测技术的开发放在了极为重要的地位。在采用正确试验方法的前提下，准确测量LED模块的光色性能参数是科学评价产品性能、质量现状和发展趋势的基础[1]。针对LED模块光色性能检测现状，结合自己在LED模块产品检测工作中的积累经验，对LED模块光色性能的检测方法做了总结。

1 LED模块的光色性能

LED模块的光色性能主要参数包括：光强分布、光通量、光强、光束角、相关色温、显色指数、色品坐标、色品容差、平均颜色不均匀性和最大颜色不均匀性等[2]。

2 LED模块测试环境和物理条件

LED模块往往都有光学部件，所以要在相对干净的环境中储存和试验，产品上的透镜要干净没有手印。试验的环境不能有过分的震动和冲击，减小空气对流。由于LED照明产品性能参数对温度较为敏感，在试验中周围环境空气温度和湿度应满足对应标准中规定的环境要求：环境温度为（25±1）℃，最大相对湿度为65%，无对流风。LED模块的发光特性有时会因散热问题受到燃点姿态的限制，在测量时，LED模块在被测量时应置于自由空间中，其燃点方向应与其规定的设计或实际使用时的状态相同，如无规定则LED模块的发光面垂直向下。LED模块需要足够长的时间达到稳定工作条件，15min内光通量或光强变化小于0.5%即可认为达到了稳定的工作条件[3]。

3 LED模块的光色性能检测

3.1 光通量的测量方法

光通量的测量方法有：（1）照度积分法（基准测量方法）；（2）光强积分法；（3）积分球系统的快速替代法。在认证、计量实验室等要求比较高的场合建议使用照度积分法，当对另两种方法结果有疑议时，可与照度积分法的测量结果相比对[4-5]。

3.2 积分球系统的快速替代法

通常包括4π和2π两种积分球的测量几何，测量示意图如图1和图2所示。如图1（b）和图1（c）所示，2π测量几何的取光口位于积分球顶部虽然能够使多数LED产品按照其标准的燃点姿态工作，但测试安装比较困难，且积分球内容易积累灰尘，影响积分球涂层反射率的稳定性。考虑到上述问题，图1（b）所示的侧边取样口方案更具有可行性[6]。4π积分球方法中被测LED模块位于球的中心。2π积分球方法只适用于后部不发光的LED模块[7]。

图1 积分球测量示意图

为使积分球替代法达到比较好的测量精度，用于定标或校准的标准灯是关键。应尽量使用同类型的标准LED产品作为标准灯，以减小误差，标准LED模块的量值可通过更精确的方法测量，如国家计量院、高精度分布光度计等。测量原理如式（1）、式（2）和图 2所示。

图2中，光源S在球壁上任意一点B上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学原理可得球面上任意一点B的光照度E为

式中：Φ——光通量；

R——积分球半径；

ρ——积分球内壁反射率；

E1——光源S直接照在B点上的光照度，其大小不仅与B点位置有关，也与光源在球内的位置有关。如果在光源S和B点间放一挡屏，挡去直接射向B点的光，则E1=0，因而B点的光照度为

图2 积分球测量原理示意图

使用积分球测量LED模块的光通量包括以下3种方法[8]：

（1）积分法。在积分球探测窗口上设置光度探测器，测量光通量，是利用特定滤色片配合光电探测器直接测得色度参数。

（2）分光法。在积分球探测窗口上设置光谱辐射计的取样装置，使用光谱辐射计测得的光谱功率分布计算光通量。分光法是通过单色仪分光测得LED光谱功率分布，利用色度加权函数积分获得对应色度参数。

（3）积分-分光结合法。在积分球探测窗口同时设置光度探头和光谱辐射计的取样装置，光度计测量LED模块的光通量，光谱辐射计测量LED模块的平均光谱功率分布，根据测量结果计算光谱修正因子并用以修正光度计测得的值。

当被测LED模块与光通量标准灯的相对光谱功率分布接近时，积分法可达到很高测量精度；当被测LED模块的最大光谱功率小于光通量标准灯所对应的光谱功率，且两者相差不大时，分光法具有较高的测量精度；当被测LED模块与光通量标准灯的光通量大小和光谱功率分布存在较大差异时，建议使用积分-分光结合法，以使被测LED模块在较宽的线性动态范围内得到较为精确的测量结果。

3.3 分布光度计系统

分布光度计系统包括照度积分法和光强积分法两种测量方法。照度积分法测量原理如图3和式（3）所示，扫描角度间隔的一般平面间角度间隔为5°，平面内角度间隔一般为1°。光强积分法测量原理如图4 和式（4）所示，距离必须足够大，使平方反比关系成立。光度中心必须处于分布光度计的旋转中心，扫描角度间隔的一般平面间角度间隔为10°，平面内角度间隔一般为5°。光强积分法总光通量计算值与角度间隔之间的关系试验数据如表1所示[9]。

图3 光通量的计算原理示意图（照度积分法）

图4 光通量的计算原理示意图（光强积分法）

照度积分法总光通量计算：

表1 典型LED模块：总光通量计算值与角度间隔之间的关系

由于照度积分法的测量对距离和被测光源的位置不敏感，且测量光束可以不经过反光镜等中间过程，从而能够实现很高的测量精度，是很多国家建立光通量国家基准的测量方法。GB/T 24824-2009《普通照明用LED模块测试方法》中同样将照度积分法规定为基准测量方法，IES LM-79-2008《固态照明产品的电气和光度测量》虽然没有明确将照度积分法定位为基准测量方法，但其所描述精确测量光通量的条件即为照度积分法的条件。

4 空间光强分布和光束角的测量方法

利用分布光度计来测量光强分布，需保证平方反比关系成立，即使测量距离足够大，能把被测物近似看成点光源，测量距离应至少为LED模块最大发光口面的5倍。对于光强分布曲线与余弦分布明显不同的LED模块，上述测量距离会带1%的误差，因此这种LED模块的光强测量距离至少需要为最大发光口面的10倍。测量光强时的扫描角度间隔平面间角度间隔一般为10°或更小，平面内的角度间隔一般为5°或更小。

在LED模块的特征发光平面上，以≤1/20半峰光束角的角度间隔测量LED模块的光强分布，根据光强分布曲线数据计算出半峰光束角。本文推荐使用双镜式分布光度计，优点在于被测LED模块和分布光度计系统均十分稳定，而且系统占用的空间较小，该系统对反光镜的质量要求较高。

5 颜色特性的测量方法

颜色特性的测量方法包括分布光谱辐射计法和积分球法。当对测量结果有争议时，使用分布光谱辐射计法测量LED模块的总平均色度特性。分布光谱辐射计法为将被测LED模块夹持在分布光谱辐射计上，使LED模块处于规定的燃点方向，LED模块的发光中心处于分布光谱辐射计的旋转中心。积分球法用白炽灯或卤钨灯作为标准灯，对积分球系统定标；再用同类型的LED模块作为标准灯校准积分球光谱辐射计，测量LED模块的光谱功率分布，计算LED模块的平均颜色参数。标准LED必须与测试样品具有同样的光谱功率分布，需要建立多种不同颜色的标准LED，特别是白光LED，由于它可由不同光谱组成，研制通用的白光LED标准几乎不太可能。标准LED必须与测试样品具有同样的发光强度分布曲线（配光曲线），如果待测LED的颜色（光谱）与标准LED（光谱）有差异，则需对光度探器进行光谱校正。

光源颜色特性的测量是光源检测的一个重要方面，考虑到LED模块的颜色特性可能是空间不均匀的，测量时通常需要测量光源平均颜色和空间颜色分布。

分布光谱辐射计法测量时扫描角度间隔平面间的角度间隔一般为10°，平面内的角度间隔一般为5°。当被测LED模块尺寸较大或光束角较窄时，应采用更小的平面间隔和角度步长。试验数据如表2所示，空间颜色不均匀度表征用平均颜色不均匀性和最大颜色不均匀性表示[10]。