普通照明用LED模塊光色性能測試方法的研究

汪立文，萬蘊杰，唐小軍，胡良勇，姜中蛟

（1.廣州計量檢測技術研究院，廣東 廣州 510010；2.廣東省建筑設計研究院，廣東 廣州 510010）

0 引 言

近年來，隨著LED技術的持續發展，大功率半導體照明器件得到了飛速發展，特別是白光功率和光效不斷提高，LED逐步進入照明領域，引發了一場新的照明技術領域的革命。其檢測方法和評價標準成為世界LED產業所面臨的共同挑戰，世界主要發達國家均把LED標準和檢測技術的開發放在了極為重要的地位。在采用正確試驗方法的前提下，準確測量LED模塊的光色性能參數是科學評價產品性能、質量現狀和發展趨勢的基礎[1]。針對LED模塊光色性能檢測現狀，結合自己在LED模塊產品檢測工作中的積累經驗，對LED模塊光色性能的檢測方法做了總結。

1 LED模塊的光色性能

LED模塊的光色性能主要參數包括：光強分布、光通量、光強、光束角、相關色溫、顯色指數、色品坐標、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模塊測試環境和物理條件

LED模塊往往都有光學部件，所以要在相對干凈的環境中儲存和試驗，產品上的透鏡要干凈沒有手印。試驗的環境不能有過分的震動和沖擊，減小空氣對流。由于LED照明產品性能參數對溫度較為敏感，在試驗中周圍環境空氣溫度和濕度應滿足對應標準中規定的環境要求：環境溫度為（25±1）℃，最大相對濕度為65%，無對流風。LED模塊的發光特性有時會因散熱問題受到燃點姿態的限制，在測量時，LED模塊在被測量時應置于自由空間中，其燃點方向應與其規定的設計或實際使用時的狀態相同，如無規定則LED模塊的發光面垂直向下。LED模塊需要足夠長的時間達到穩定工作條件，15min內光通量或光強變化小于0.5%即可認為達到了穩定的工作條件[3]。

3 LED模塊的光色性能檢測

3.1 光通量的測量方法

光通量的測量方法有：（1）照度積分法（基準測量方法）；（2）光強積分法；（3）積分球系統的快速替代法。在認證、計量實驗室等要求比較高的場合建議使用照度積分法，當對另兩種方法結果有疑議時，可與照度積分法的測量結果相比對[4-5]。

3.2 積分球系統的快速替代法

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

圖1 積分球測量示意圖

為使積分球替代法達到比較好的測量精度，用于定標或校準的標準燈是關鍵。應盡量使用同類型的標準LED產品作為標準燈，以減小誤差，標準LED模塊的量值可通過更精確的方法測量，如國家計量院、高精度分布光度計等。測量原理如式（1）、式（2）和圖 2所示。

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

式中：Φ——光通量；

R——積分球半徑；

ρ——積分球內壁反射率；

E1——光源S直接照在B點上的光照度，其大小不僅與B點位置有關，也與光源在球內的位置有關。如果在光源S和B點間放一擋屏，擋去直接射向B點的光，則E1=0，因而B點的光照度為

圖2 積分球測量原理示意圖

使用積分球測量LED模塊的光通量包括以下3種方法[8]：

（1）積分法。在積分球探測窗口上設置光度探測器，測量光通量，是利用特定濾色片配合光電探測器直接測得色度參數。

（2）分光法。在積分球探測窗口上設置光譜輻射計的取樣裝置，使用光譜輻射計測得的光譜功率分布計算光通量。分光法是通過單色儀分光測得LED光譜功率分布，利用色度加權函數積分獲得對應色度參數。

（3）積分-分光結合法。在積分球探測窗口同時設置光度探頭和光譜輻射計的取樣裝置，光度計測量LED模塊的光通量，光譜輻射計測量LED模塊的平均光譜功率分布，根據測量結果計算光譜修正因子并用以修正光度計測得的值。

當被測LED模塊與光通量標準燈的相對光譜功率分布接近時，積分法可達到很高測量精度；當被測LED模塊的最大光譜功率小于光通量標準燈所對應的光譜功率，且兩者相差不大時，分光法具有較高的測量精度；當被測LED模塊與光通量標準燈的光通量大小和光譜功率分布存在較大差異時，建議使用積分-分光結合法，以使被測LED模塊在較寬的線性動態范圍內得到較為精確的測量結果。

3.3 分布光度計系統

分布光度計系統包括照度積分法和光強積分法兩種測量方法。照度積分法測量原理如圖3和式（3）所示，掃描角度間隔的一般平面間角度間隔為5°，平面內角度間隔一般為1°。光強積分法測量原理如圖4 和式（4）所示，距離必須足夠大，使平方反比關系成立。光度中心必須處于分布光度計的旋轉中心，掃描角度間隔的一般平面間角度間隔為10°，平面內角度間隔一般為5°。光強積分法總光通量計算值與角度間隔之間的關系試驗數據如表1所示[9]。

圖3 光通量的計算原理示意圖（照度積分法）

圖4 光通量的計算原理示意圖（光強積分法）

照度積分法總光通量計算：

表1 典型LED模塊：總光通量計算值與角度間隔之間的關系

由于照度積分法的測量對距離和被測光源的位置不敏感，且測量光束可以不經過反光鏡等中間過程，從而能夠實現很高的測量精度，是很多國家建立光通量國家基準的測量方法。GB/T 24824-2009《普通照明用LED模塊測試方法》中同樣將照度積分法規定為基準測量方法，IES LM-79-2008《固態照明產品的電氣和光度測量》雖然沒有明確將照度積分法定位為基準測量方法，但其所描述精確測量光通量的條件即為照度積分法的條件。

4 空間光強分布和光束角的測量方法

利用分布光度計來測量光強分布，需保證平方反比關系成立，即使測量距離足夠大，能把被測物近似看成點光源，測量距離應至少為LED模塊最大發光口面的5倍。對于光強分布曲線與余弦分布明顯不同的LED模塊，上述測量距離會帶1%的誤差，因此這種LED模塊的光強測量距離至少需要為最大發光口面的10倍。測量光強時的掃描角度間隔平面間角度間隔一般為10°或更小，平面內的角度間隔一般為5°或更小。

在LED模塊的特征發光平面上，以≤1/20半峰光束角的角度間隔測量LED模塊的光強分布，根據光強分布曲線數據計算出半峰光束角。本文推薦使用雙鏡式分布光度計，優點在于被測LED模塊和分布光度計系統均十分穩定，而且系統占用的空間較小，該系統對反光鏡的質量要求較高。

5 顏色特性的測量方法

顏色特性的測量方法包括分布光譜輻射計法和積分球法。當對測量結果有爭議時，使用分布光譜輻射計法測量LED模塊的總平均色度特性。分布光譜輻射計法為將被測LED模塊夾持在分布光譜輻射計上，使LED模塊處于規定的燃點方向，LED模塊的發光中心處于分布光譜輻射計的旋轉中心。積分球法用白熾燈或鹵鎢燈作為標準燈，對積分球系統定標；再用同類型的LED模塊作為標準燈校準積分球光譜輻射計，測量LED模塊的光譜功率分布，計算LED模塊的平均顏色參數。標準LED必須與測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準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標準幾乎不太可能。標準LED必須與測試樣品具有同樣的發光強度分布曲線（配光曲線），如果待測LED的顏色（光譜）與標準LED（光譜）有差異，則需對光度探器進行光譜校正。

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

分布光譜輻射計法測量時掃描角度間隔平面間的角度間隔一般為10°，平面內的角度間隔一般為5°。當被測LED模塊尺寸較大或光束角較窄時，應采用更小的平面間隔和角度步長。試驗數據如表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、色品坐標計算值與角度間隔之間的關系

6 結束語

LED模塊光色性能參數測量可采用分布光度計或積分球系統測量，具體選擇哪個方法視所需測量的量（顏色特性、光特性）、產品的尺寸和其他要求而定。在正確試驗方法前提下，通過合理選擇檢測方法達到準確測量LED模塊的光電色性能參數，為科學評價LED模塊性能質量現狀和發展趨勢提供數據支撐和質量保證。

[1]GB/T 9468—2008燈具分布光度測量的一般要求[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]GB/T 7002—2008投光照明燈具光度測試[S].北京：中國標準出版社，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：中國標準出版社，2009.

[6]GB/T 24824—2009普通照明用LED模塊測試方法[S].北京：中國標準出版社，2009.

[7]GB/T 24907—2010道路照明用LED燈性能要求[S].北京：中國標準出版社，2010.

[8]GB/T 24909—2010裝飾照明用LED燈[S].北京：中國標準出版社，2010.

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

[10]葉煒.積分式光測技術的最新進展-全數字積分式光測技術[J].照明工程學報，2004，15（1）：19-21.