位置和角度对积分球测量LED 成品灯的影响

2015-11-18田增国邱跃龙杨海彬李宇翔

灯与照明 2015年2期

田增国，邱跃龙，杨海彬，李宇翔，吴晗

(1.郑州大学物理工程学院，郑州 450001;2.国家建筑装修材料质量监督检验中心，郑州 450014)

0 引言

光源的研发已成为全球的焦点，各国政府对LED产品的各项标准不断提高，对LED 产品检测提出更高要求，各类产品质量监督、第三方检测和专业认证机构以及企业自身对检测设备产生新的需求。

对于LED 及其成品灯的光色特性测量，仍没有统一的测试方法，目前，大多采用积分球或分布光度计进行LED 的光学特性测量。分布光度计测试系统精度高，但价格十分昂贵，操作复杂，测量时间长，需要6～8 h，无法满足中小企业实际生产测试需求。用积分球测试系统精度较低，但价格便宜，易操作，测量速度快，单次测量只需30 min 左右，然而由于没有专用的LED 标准光源，测量结果可信度较低。

为此，我们采用积分球测试系统通过放在积分球不同位置、朝向不同角度对LED/COB 天花灯进行光、色特性测试，然后使用精度高的分布光度计对同一个LED/COB天花灯的相关光、色参数进行测试，进而研究分析用积分球对LED 成品灯的测试方法和误差的补偿。

1 LED 的光学特性与位置关系

传统封装的LED 一般为圆形或圆柱形，其发光角度为5°～90°。而且LED 光源的光强分布不均匀，即在法线方向上的光强最大。随着发光方向与法线方向的角度增加，其光强是一个近似的朗伯光源，而且它的发光面积也比较小，即LED 的光分布在某一个方向上时亮度最大，此时光是垂直于LED 发光面的，即与轴线方向为零度角，随着角度的增大亮度会减小，如图1 和图2 所示。

图1 LED 出射光线的出射角度

图2 发光强度与空间角度的关系

2 积分球测量原理

积分球测试系统通过相对法测量LED 光源的光通量、光谱分布和色度。用于待测LED 同类型的标准光源校正积分球光度计和光谱辐射计，以得到较好的测量不确定度。本次测试采用专为LED 定标的窄光束角D65 标准光源。

采用积分球测试法，放置在积分球内光源、挡屏、支架等物体会改变球内的光分布，形成自吸收效应。灯处在不同的位置或角度时，球内的光分布也不相同。测试时，通常将光源置于积分球的中心位置，并处于如图3 所示测试状态。

通过布设在积分球探测窗口的光度计和光谱辐射计，分别测量光源的光通量和平均光谱功率分布，根据测量结果计算光谱修正因子并修正光度计测量值，光谱修正因子计算

图3 LED 光源置于积分球中间向下

式中:V(λ)为已知CIE 标准光谱光效率函数;s(λ)rel为光度计的已知相对光谱灵敏度;P(λ)s用于校准光度计标准光源的已知相对光谱功率分布;P(λ)t为光谱辐射计所测得的待测光源相对光谱功率分布;τ(λ)为积分球涂层的光谱等效透过率，可以通过式(2)计算得到

式中:ρ(λ)为积分球涂层的光谱反射率;k为常数。

在积分球测试系统中，LED 光源光通量Φ测的测量如式(3)

式中:Φ参比，P参比(λ)分别为LED 标准光源的光通量和相对光谱功率分布;V(λ)为光谱光视效率;P参比(λ)为待测LED 光源的相对光谱功率分布。

对于光源，假设其发射光谱为P(λ)，则人眼的刺激值响应如式(4)所示。

只要测得被测对象的相对光谱功率分布就可以计算出其色品坐标、相关色温和显色指数。对于式(4)中k 值进行标定，计算出Y 值即可测得其光通量、照度、亮度等光度学参数。

3 分布光度计测量原理

在足够多的发光平面上，以足够小的角度间隔测量以分布光度计的光度探测器到被测LED 光源发光中心之间的测量距离为半径的虚拟球面上的各点照度。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 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，以保证照度分布的取样完整性。

用数值积分的方式计算出LED 模块的总光通量Φtot如式(5)所示。

式中:r为虚拟球面的半径;Stot为虚拟球上的表面面积;(ε，η)为空间角，如图4 所示。

图4 分布光度计测试原理

分布光度计的光强测量一般通过照度平方反比公式计算得到

式中:I(ε，η)为(ε，η)方向上光源的发光强度，单位为cd;d为测量距离，单位为m;(ε，η)为空间角度;E(ε，η)为空间(ε，η)方向上到光源距离为d 的测量点照度。

4 实验及结果分析

4.1 积分球系统测量

用D204 标准光源对PMS-50 增强型积分球测试系统进行定标，将3 W COB 封装的LED 天花灯放入积分球，利用恒流电源驱动，通过光谱分析仪记录相应的参数，如图5 所示。

图5 PMS-50 增强型积分球测试系统

保持倍增管温度在29±1 ℃，室温稳定在25±1 ℃，灯温稳定在30±1 ℃。

4.1.1 放置不同角度

以LED 灯朝向挡板为前，分别在LED 等朝向前、后、左、右、上、下的情况下进行光色学特性测量，如图6 所示，分别测量5 次求其平均值，如表1 所示。

图6 LED 按照不同角度放置

表1 LED 按照不同角度放置的测量结果

(1)光通量。当COB 天花灯朝向前放置时，虽然探测器由挡板挡着，但仍有部分光直射到探测器上，因而测量值最大为235.62 lm;而当COB 天花灯朝后时，光线经过漫反射照射到探测器上，测量值最小为219.38 lm，极值相差16.24 lm。

(2)色温。色温和色度坐标有关，色温值升高，颜色变冷。LED 灯朝前时色温测量值最大为6 661.4 K，向上测量值为6 268.2 K，向下测量值为6 219.2 K，其他情况下与向下测量值相差不超过1%。

(3)显色性Ra。光谱决定了显色性，各波段光谱连续且丰富时，显色性较好;部分波段光波缺失或较少时，显色性较差。COB 天花灯朝向前时显色性最大为85.18，朝向后时显色性最小为83.94，极值相差1.24。

(4)光效。光效在不同角度下测量值的分布变化和光通量是基本一致的。COB 天花灯朝前时的光效测量值最大，为82.28 lm/W;背向挡板时的光效测量值最小，为75.66 lm/W。极值差为6.62 lm/W。

(5)主波长。主波长反映了待测光源的光谱与标准光源体光谱的差距。COB 天花灯朝前时的主波长测量值最小为475.4 nm，其他情况下的测量结果与向下放置时的测量结果差距不大，向下放置时的测量值为479.68 nm。

4.1.2 放置位置不同时的测试

将COB 天花灯分别置于积分球底部、左部、后部、顶部、右部和中部时进行测量，如图7 所示，每个位置测量5 次，取平均值如表2 所示。

图7 LED 按照不同位置放置

表2 LED 按照不同位置放置的测量结果

(1)光通量。COB 天花灯放在积分球底部时直接照射到探测器的光最多，最大值为238.42 lm，而放在中间时直接照射到探测器的光最少，最小值为227.16 lm，极值差为11.26 lm，占中间测量值的5%。

(2)色温。LED 放置在后部且朝向挡板时的色温测量值最大，为6 466.8 K，其次是放置在底部时的测量值，为6 332.2 K，放在中间时的测量值为6 224.6 K，其他情况下的测量值与放置在中间时的测量值相差不大。

(3)显色指数。COB 天花灯在积分球后部时显色指数最大为84.68，在积分球中心时显色指数为83.98，其他位置时与中间测量值差别不大，极值相差0.7，占中间测量值的0.8%。

(4)光效。COB 天花灯在积分球底部时的光效测量值最大为79.47 lm/W，灯在中间时的光效测量值最小为75.72 lm/W，极值差为3.75 lm/W，占中间测量值的4.95%。光效测量值分布与光通量一致。

(5)主波长。放在后部时的主波长测量值最小，为477.06 nm，放在其他位置时的测量值差别不大。

COB 天花灯放在积分球后部时，距离探测器最远，因此在光谱测试中与其他位置下的测量值差距较大。

4.2 分布光度计系统测量

本次检测采用卧式分布光度计。其结构示意图如图8 所示。

图8 测试系统组成示意图

对3 W COB 封装的LED 天花灯测得总光通量为194.24 lm，色度坐标x=0.315 5，y=0.315 0，u'=0.205 3，v'=0.461。色温为6 452 K，主波长λ 为476.4 nm，色纯度P=7.8%，红色比R=15.8%，显色指数Ra=85.3。

4.3 结果分析

(1)光通量。在控制单一变量的条件下，对于3 W COB 封装LED 天花灯光通量，分布光度计测量结果为194.24 lm。用积分球测试系统进行测试时，光通量测量值为227.16 lm，是分布光度计系统测试结果的116.94%。

(2)显色指数。分布光度计测试系统的显色指数Ra 为85.3。用积分球测试时显色指数为83.98，是分布光度计系统测试结果的98.45%，测试结果差别不大。

(3)色温。分布光度计测试系统的测试色温为6 452 K，用积分球测试的测量值为6 219.2 K。

(4)主波长。分布光度计测试系统的测试值为476.4 nm，用积分球测试的测量值为479.74 nm。测试结果如图9 所示。

通过分析测试数据发现用积分球测试系统测试光通量的结果比分布光度计的测试结果偏高，但不同位置和角度下积分球测试系统的测试结果基本相同。与分布光度计的测试结果相比，积分球系统对不同位置和角度下色温的测量值普遍较低，对主波长的测量值普遍较高，对显色指数的测量值普遍较低。将测量差值按照百分比进行衡量，差值与分布光度计相比，只有积分球对光通量的正常测试值与分布光度计测试值为16.94%，其他光色参数的测量差值均未超过5%。