定向照明灯具空间颜色均匀性的快速测试评定方法

甘 明，宗 颖，谢湘云，吴 崇

(东莞华明灯具有限公司，广东 东莞 523653)

引言

随着LED光效及光色性能的提升、LED制造成本的下降，LED灯具相比传统灯具的优势愈发明显。一款高品质的LED定向照明灯具的光学性能有如下几个特点：一是光效高；二是光形可控；三是能够实现现场需求的任意光色；四是空间颜色均匀度良好。对于LED灯具空间颜色，由于LED一般采用芯片+荧光粉的发光方式，因此LED的颜色可以非常丰富。在LED灯具实际使用中，特别是在博物馆及大型商场等重点照明项目上，LED灯具出光的颜色均匀性会影响人对物品本身的分辨感知，因此行业对LED灯具出光的空间颜色均匀性提出了更高的要求[1]。

目前，LED颜色评价理论引入了一些新的参数，如光品质CQS、色偏爱指数CPI、全色域指数GAI、色分辨指数CDI等。这些参数指标的提出可以让LED灯具的光色可控性好、光色越来越舒适。但是关于光的空间颜色均匀性方面的行业标准较少，对它的测试评价比较困难。美国“能源之星”的标准对出光均匀性给出了相关的规定，要求Δu′v′需小于0.006[2]，测量方法采用分布式光度计设备，并采用测试标准IES LMP79-08和IES LM-58-13，CIE 15：2004。但是这种检测评定方法耗时久、成本高[3]，而且一般无法在现场提供分布式光度计进行测试，只能采用目视法定性判断LED灯具的光色性能。目视法虽然简单方便、比较直观，但是不能定量分析且受人的因素影响，不利于分析解决现场实际使用问题。为此，需要研究LED灯具出光的空间颜色均匀性测试方法及快速测试评价方法，从而确保LED灯具特别是LED定向照明灯具的光空间颜色均匀性满足高端LED照明的相关需求。

1 测试原理和计算方法

为了正确衡量LED定向照明灯具出光的空间颜色均匀性，通常采用分布式光度计进行测试，测试方法采用测试标准IES LM-79-08、IES LM-58和CIE 15：2004。

实验室分布式光度计测量灯具颜色均匀性的原理为：利用设备测试灯具的光谱，在图1中θ(0°～180°)方向、Φ(0°～180°)方向上等分为N份等角度的点，测量这些等角度点的色坐标值。然后根据色度学相关公式计算出每一点相对于中心点(或对于以照度值和空间立体角度加权平均值点)的色差，取最大值点来评价一款灯具的空间颜色均匀性[4-6]。

依据光谱仪测试的x、y数据，根据CIE 1960均匀色品标尺(UCS)图原理[7]，利用式(1)计算：

(1)

根据CIE 1976 UCS图原理公式：

(2)

(3)

图1 分布式光度计测试空间颜色均匀性的几何图Fig.1 Geometry for the chromaticity measurement using a goniophotometer

得到u′、v′数值之后就可以根据测算数据进行计算Δu′v′了。灯具的空间颜色均匀性指标一般有两种计算方式，一种是以中心点坐标为标准参考点计算，其计算公式如下：

(4)

另外一种计算方式是以各采样点的照度值和立体角因素加权，用加权平均值作为标准参考点计算。

φ=0°和φ=90°(或更多角度)的色度坐标和光强先在每个φ角求平均数x(θi)、y(θi)和I(θi),其中θi=10°、10°、…、180°(这里Δθ取10°，需要看适配灯具，如果是小角度射灯，Δθ可以按照实际需要取值,θmax可以按照I10点来取值，本文针对角度为5°的射灯，故Δθ取1°，θmax取5°)，然后求解平均色度坐标。

(5)

(6)

其中

(7)

(8)

其最终的计算公式为

(9)

由于LED定向照明灯具作为小角度灯具，其中心点颜色基本可以代表灯具的颜色，因此我们按照第一种方式去计算，这样比较简单有效，也方便现场操作和判断。

式(1)中，x、y为CIE 1931-xyz标准色品图值，u、v为CIE 1960 UCS均匀色品图色坐标值，式(2)中u′、v′为CIE 1976 UCS均匀色品图上色坐标值，式(3)中Δu′v′为空间颜色均匀性指数，u0代表在O点的u值，ua代表在角度a点的u值，v0代表在O点的v值，va代表在角度a点的v值Δu′v′越小表示色差越小，体现为空间颜色均匀性越好。

2 空间颜色均匀性的测试方法

2.1 利用分布式光度计

采用LED定向照明灯具(LED照明灯具A)对博物馆展品进行照明，依据测试标准及测试方法，首先采用分布式光度计对LED照明灯具A出光的空间颜色均匀性进行测量。由于LED定向照明灯具A出光角度为5°，为了测试方便，以1°为一个步长进行测试，根据测试值计算了LED灯具出光的空间色差Δu′v′,如表1所示[8]。

表1 照明灯具A光度测试(分布式光度计)Table 1 Luminosity test for luminaire A (spot goniophotometer)

2.2 利用手持式光谱彩色照度计

为了满足现场的需求，根据分布式光度计测量灯具颜色均匀性的原理，用手持式光谱彩色照度计来测试灯具空间角度分布上的相应点来计算灯具的颜色均匀性。同样采用LED定向照明灯具A，以1°为一个步长进行测试。

模仿实验室分布式光度计的测量方法，见图2，在发光面位于离地面3 m高度时，当光束角定义为5°时，其圆弧上的点实际可以看为直线。这样我们可以在一块白色干净的木板上按1°一个步长来布点，1°对应的直线距离L计算如下：

图2 手持式光谱彩色照度计测量空间颜色均匀性原理Fig.2 The principle of spatial color uniformity measured by a handheld spectral color illuminometer

(10)

将R=3 000 mm代入式(10),计算得L=52.3 mm;这样我们以间距52.3 mm的距离来摆放光谱彩色照度计的探头，测量和记录四个方向的A、B、C、D、E五个点的色坐标，见图3。

图3 光谱彩色照度计探头摆放位置示意图Fig.3 The position of the spectral color illuminameter probe

记录LED照明灯具A的色坐标及相关数据后，依据x、y数据，从而计算出Δu′v′的值如表2所示。

2.3 两种测试方法的比较

依据不同的空间颜色均匀性测试方法，对于LED照明灯具A,测试对比数据如图4和图5所示。

由图4和图5可知，分布式光度计测试数据与手持式光谱彩色照度计测试数据非常接近，从而说明在照明现场可采用手持式光谱彩色照度计评估LED定向照明灯具的空间颜色均匀性。

表2 照明灯具A光度测试(手持式光谱彩色照度计)Table 2 Luminosity test for luminaire A (hand-held spectral color illuminometer)

图4 空间色差数据Δu′v′,测试比对(C0°/180°)Fig.4 Spatial chromatic aberration data Δu′v′,test comparison (C0°/180°)

图5 空间色差数据Δu′v′,测试比对(C90°/270°)Fig.5 Spatial chromatic aberration data Δu′v′,test comparison (C90°/270°)

3 实际现场空间颜色均匀性的处理

已知灯具的空间颜色均匀度的数据后，依据美国“能源之星”标准中Δu′v′需小于0.006要求，我们可以看出在哪些点是符合标准的。对于手持式光谱彩色照度计，如何去判断一个灯具的色差大小，不是随意按任意一个点的色坐标来判断，需要取各个方向上的点来评估。

对于LED灯具A,如果我们希望被照物料的色差小于0.004。从计算结果看出，在-4°～4°的出光范围，即在D1-D2-D3-D4的坐标圆形范围内，Δu′v′值小于0.004，即在图6中γ的角度需要设置在-4°～4°的出光范围内。

图6 LED灯具出光角度的调整方法Fig.6 Adjustment method of light output angle of LED lamps

如图6所示，已知被照物体长度为C，覆盖被照物体的灯光角度γ是-4°～4°，被照物体的中心离灯具的水平距离为D,灯具出光口安装距离离地面为L，那么可以计算出此时灯具的转动角度θ的大小，利用tan(θ+γ/2)=(L+C/2)/H可以得出θ角度。

θ代表灯具在这个投射角度下物体能满足Δu′v′小于0.004，即颜色均匀性达到所想设定的范围。当然，如果灯具在已知的H的高度，投射角度已经设定好，我们可以得到L的距离，同样也可以设定灯具高度。

4 结论

我们讨论了用手持式光谱彩色照度计测量灯具在空间的色坐标，并依据空间颜色测试的基本原理计算出相应的空间颜色的色差，从而通过色差数据判断了LED定向照明灯具的空间光颜色是否在合理范围内，及如何优化安装灯具的投射角度能让灯具出光颜色表现的更加均匀。这解决了在照明现场设计灯光时无法定量判定LED灯具空间光颜色均匀性是否符合要求的难题，同时我们依据LED灯具空间光颜色均匀性测试数据，利用简单的计算调整灯具投光角度、高度或距离,使LED定向照明灯具出光满足照明的需求，从而取得良好的照明效果。