低功率LED光源的小型分布式光色度计研究

蔡 怡 朱腾飞 张 俊 徐东英 慎月强 毛滋春

(1.杭州市质量技术监督检测院，浙江杭州 310019;2.杭州新叶光电工程技术有限公司，浙江杭州 310013)

1 引言

LED具有节能、环保、寿命长、体积小、无频闪等优点，可用于指示、显示、装饰、背光照明以及普通室内外照明等领域［1］，被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和荧光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命。特别是目前LED灯的光效、配光和光衰都有了很大的改善［2］，但是关于LED灯颜色的问题研究比较少。特别是随着LED灯大规模进入室内照明应用，LED灯的颜色问题就显得比较突出。

目前一般用于LED照明产品的是大功率白光LED，其主要是利用蓝色LED芯片和黄色荧光粉光转换，即直接在芯片表面涂覆荧光粉和硅胶混合体，由于涂覆的荧光粉粉层厚度很难控制，所以出现出射光空间颜色分布不均匀现象，即在不同的方向上的发光颜色不相同。LED灯具一般由多颗LED组成，荧光粉紧贴芯片发热源，温升导致荧光粉性能劣化，灯具散热不均匀也会使得各区域温度不一致，从而导致各区域LED发光颜色产生差别，出现较为明显的空间颜色不均匀现象［3］。这种现象会严重影响照明效果，对室内照明的影响尤为严重，因此对LED灯具空间颜色不均匀性的表征和测量是十分必要的［4］。随着LED的发展逐步由室外照明进入室内照明并进入应用领域，美国能源之星标准IES LM79－2008［5］以及我们国家标准 GB/T 24824－2009［6］都对 LED的相关色温及色品坐标的空间分布提出了具体要求，因此研究开发一种小型分布式光度和色度测量专用检测仪器很有必要，可以快速同步测量出LED光源的光度和色度空间分布情况。

2 测量原理

传统的卧式分布光度计在测试灯具或光源的(空间)光强分布和总光通量中应用非常广泛。分布光度计一般采用照度积分法测量灯具的总光通量，即光度探测器保持不动，被测光源或灯具绕自身的光度中心自转，在发射光达到整个角度区域内选择合适的角度间隔，测量以分布光度计的光度探测器到被测LED发光中心之间的测量距离为半径的虚拟球面上的各点的照度，如图1所示。平面间角度间隔一般为5°，平面内的角度间隔一般为1°，当被测LED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距，以保证照度分布的取样完整性。对应的总光通量 计算公式为式 (1)。

图1 选择合适的角度进行测量的几何图

总光通量

式 (1)中，r为虚拟球面的半径，Stot为虚拟球面的总面积，E(θ， )为空间角光强，θ为γ轴角度， 为C轴角度。

本小型分布式光色度计的色度分布测量是在原有分布光度计上安装色度测量装置，把光度色度探头进行集成，以实现同步测量光强分布和色度分布功能。测试方法相似于分布光度计，在测光暗室内将被测光源以标准姿态安装在分布式光色度计上，使光源的发光中心处于分布式光色度计的旋转中心，以额定工作状态点燃。光色度探头在足够多的发光平面上以足够小的角度间隔测量每一方向上光源的光谱分布，并根据CIE色度学公式 (2)、(3)计算出空间每一方向的色度特性［7］。

式 (2)中X、Y、Z是CIE1931标准色度系统三刺激值; (λ)是色刺激函数的光谱分布 (光源相对光谱功率分布);是CIE1931标准色度观察者色匹配函数;△λ是波长间隔;k是归一化系数;式 (3)中x，y是CIE1931标准色度系统的色品坐标。

光源的总平均色度特性用数值积分加权平均的方法计算，光源在空间各方向的色度特性，按平均颜色不均匀性和最大颜色不均匀性的定义计算两参数的量值。色品坐标求出后，利用色品图或计算方法即又可确定待测光源的色温、显色指数等其他色度参数。

3 系统结构

3.1 自动测量系统结构

自动测量系统中采用三刺激值的色度传感器取代光度传感器，系统工作过程为:将光源固定在转台上，其中心与转台的水平、垂直两驱动轴的交汇点重合。当转台带着光源绕垂直轴在水平面内转动时，其LED光源信号由光度色度传感器接收，经放大和模数转换后，由微处理机系统经USB送入计算机进行数据的计算分析并绘图。因此其光学参数、数据分析处理等模块都在计算机的统一协调下，进行同步的测量、数据传输及外围设备控制，极大地提高了测试的速度。其测量系统示意图如图2所示。

3.2 小型双轴精密控制结构

图2 分布式光色度计自动测量系统示意图

该控制结构由电机驱动垂直轴旋转，小型灯具安装在垂直轴线和水平轴线的交点，因此需要设置两个方向旋转的转台，并使该转台的垂直轴线固定，水平轴线可以移动，探测器被固定在离灯具一定距离的位置上，测试方案如图3所示。由电机驱动垂直轴旋转，探头测量灯具在水平面上各方向的照度值和色度值，由此可以获得灯具在此平面上的发光强度或照度以及色度的分布曲线。

图3 测试方案

3.3 采集光度、色度的集成探测器件

测试系统的传感器采用基于三刺激值的色度探测器件，并放置在光信号接收位置。色度传感器中的Y传感器可以实现常规分布式光度计中照度测量，色度传感器实现对光源色品坐标及相关色温的测量。在测试过程中，由于光电探测器的光谱灵敏度、暗电流均受环境温度的影响，因此探测器采用温控光电探测系统。图4为光度色度传感器。

图4 光度色度传感器

3.4 测控分析软件设计

分布式光色度计同时测量LED光源的光度和色度信号，系统软件不仅可以显示光强分布曲线和照度曲线，而且可计算和显示被测LED光源的色品坐标和相关色温的分布特性，其直观的光度和色度特性有利于用户对LED光源的分析及分拣。

4 测量低功率LED光源的小型分布式光色度计样机

实物样机照片如图5所示。

图5 测量低功率LED光源的小型分布式光色度计的照片

5 实验验证

5.1 实验方案

选取1只功率约4W的LED Par灯为样品，如图6所示。实验设备采用GO－2000A分布式光度计(与HAAS－2000光谱辐射计配合使用)(设为1#设备)和本次研究的小型分布式光色度计 (设为2#设备)，测试方案采用B-β坐标系统，B角度间隔为10°，β角度间隔为5°。对样品灯采用相同的工作方式燃点，测量其光强分布、总光通量、相关色温。实验结束后，随机选取 B0β0、B30β0、B60β0、B90β0、B30β30、B30β80、B30β280 共 7 个角度的发光强度和相关色温数据以及总光通量数据进行比对。

图6 LED Par灯样品

5.2 实验数据

表1 发光强度数据 (单位:cd)

表2 相关色温数据 (单位:K)

表3 总光通量数据表 (单位:lm)

5.3 实验结果

由以上实验数据的对比分析，可以看出新研发的测量低功率LED光源的小型分布式光色度计与现有的大型分布式光度计 (配合光谱辐射计)测试数据基本一致。

与一般分布式光度计相比，本小型分布式光色度计具有以下优点:

(1)针对小型低功率LED光源的设计，被测样品从单颗LED封装到LED模块，以及小型LED灯具都可进行测量，所需测试空间小，基本型配置的光路距离约为3米，成本相对降低，测试硬件要求简单，非常适合企业使用。

(2)有效集成光度和色度探头，并保持集成探头与原光度探头大小一致，实现分布光度和分布色度数据的同时并行测量，测试时间大大缩短，有效提高测试效率。

(3)测试装置中避免了使用反射镜面，可以消除一般分布式光度计由于镜面偏振引入的测量误差，尤其适合有偏振性的灯具和光源测量要求。

6 结论

随着节能新兴光源的发展，LED产品的光度测量越来越受到人们的重视。由于LED产品的特殊性，为了实现总光通量的基准测量，各国纷纷将研究重点放在了最基础的照度积分法上，中国测光界在总光度测量方面也作了较为全面的研究。我们研究设计的分布光色度计除了能实现各种小型LED产品的总光通量、光强分布测量，而且能实现颜色分布的准确高效测量，性能优异，有望广泛应用于LED照明产品的生产和测试领域。

［1］刘洪春.新型LED铁路隧道照明灯具性能和应用分析［J］.中国照明电器，2012(2):21～28.

［2］徐文洪，庄美琳，杨永才，等.LED路灯相关色温分布均匀性研究 ［J］.中国照明电器，2012(1):1～5.

［3］宋国华，缪建文，施建珍，等.一种提高白光LED相关色温分布均匀性的方法 ［J］.光电子激光，2010，21(7):983～987.

［4］潘建根，李倩.LED灯具性能的表征与测量问题探讨［C］//海峡两岸第十六届照明科技与营销研讨会.北京:中国照明学会，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］中国轻工业联合会.GB/T 24824—2009普通照明用LED模块测试方法 ［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［7］全国颜色标准化技术委员会.GB/T 3977—2008颜色的表示方法 ［S］.北京:中国标准出版社，2008，4～6.