一種快速測量LED空間色度和光度分布的新技術

蔡怡+汪哲弘+朱騰飛+錢楓+朱敏娃++陳聰++閔芳勝

摘要： LED照明產品的空間色度和光度分布是衡量其產品質量的一項重要指標，但傳統的空間色度測量技術光譜采集耗時長、效率低，因此研究一種快速精確測量LED空間色度和光度分布的技術顯得尤為重要。基于對測動一體空間光譜同步掃描技術、智能精確采樣間隔判定技術和LED空間顏色分布綜合分析技術的研究，構建了一套快速測量LED空間色度和光度的測量系統。實驗結果表明，該系統較之傳統測量系統，在確保精度的基礎上，測量速度有較大提高，有效地提升了空間測量的效率。

關鍵詞： 發光二級管（LED）； 均勻性； 顏色分布； 光強分布； 快速測量

中圖分類號： TH 131.9文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.003

Abstract： Spatial chromaticity and photometric distribution of LED products are important parameters to evaluate the product quality. However，conventional measurement techniques usually have drawbacks， such as long acquisition time for spectra and poor measurement accuracy. The aim of this study is to overcome these techniques so as to measure the spatial chromaticity and the photometric distribution quickly and accurately. Spatial synchronous spectrum scanning technology， intelligent accurate sampling technology for interval determination， and comprehensive analysis technique for LED spatial color distribution are used to build a measurement system to measure the spatial chromaticity and the photometric distribution of LED products. The experiment results indicate that this system has higher measuring speed which enhances the measurement efficiency effectively as compared with the conventional measurement systems.

Keywords： light emitting diode； uniformity； color distribution； intensity distribution； rapid measurement

引言

LED照明產品因其發光機理，具有較為明顯的空間光色不均勻性[1]，特別是經過二次光學設計，其顏色的不均勻性更加明顯，在不同的觀察角表現出相異的顏色，主要包括邊緣黃斑/藍斑、彩邊、混光不勻等顏色不均勻現象[2]。這一空間顏色特性極大地限制了LED照明產品在日常生活中的廣泛應用，對室內照明的影響尤為嚴重，因此對LED燈具空間顏色不均勻性的表征和測量十分必要[3]。美國能源之星標準IES LM—79：2008[4]以及我國國家標準GB/T 24824—2009[5]，都提出了對LED空間顏色分布的測量要求。LED照明產品空間光色均勻性的檢測技術研究成為目前國內外研究的熱點之一。

空間光度測試技術已經取得較為成熟的發展，然而空間光譜測試因起步較晚，在測試速度、測試精度上仍有待提高。目前空間光譜測試主要采用分布光度計搭配快速光譜輻射計的方案，其中分布光度計主要有中心旋轉反光鏡分布光度計、同步接收探測器分布光度計、臥式分布光度計等類型，但均存在一定的原理性缺陷，從而導致測試精度較低，光度測量誤差甚至超過10%。此外為了實現燈具穩定控制，測試速度也不能太快，否則會影響效率。基于這種現狀，本文研究了一種采用測動一體空間光譜同步掃描技術、智能精確采樣間隔判定技術的LED空間顏色分布綜合分析技術，來實現LED空間光譜光度的快速準確測量。

光學儀器第38卷

第6期蔡怡，等：一種快速測量LED空間色度和光度的新技術

1系統結構

系統主要由二維轉臺、轉臺控制器、屏蔽暗房、遮光筒、光度光譜采集器、供電電源、電參數采集器和計算機系統等組成，其工作原理如圖1所示。

系統采用光度光譜探測器保持不動，被測燈具圍繞兩個相互垂直的轉動軸轉動，在發射光達到的整個角度區域內選擇合適的角度間隔進行測量的工作方式。轉動軸的轉動范圍能滿足0°～360°，轉角精度達到0.1°。每個轉動軸應由電機驅動，轉動平穩，旋轉速度最快可以達到3 r/min。光度光譜采集器是對高精度光度探測器和高精度快速光譜輻射計的集成，光度探測器用以精確測試燈的空間光度分布，光譜輻射計用以精確測量燈的空間顏色分布、平均顏色特性及空間顏色不均勻性。系統硬件設有暗箱用以消除環境光，光闌用以消除雜散光，以保證測試精度。配合軟件系統，可以實現各類燈具和光源產品的光度分布和光譜分布的快速測試。

2測量原理及方法

2.1顏色空間分布的檢測和評價方法

由于LED在物理上不能近似為點光源，即使在同一個出射方向上，由于照明距離的不同，顏色也會出現較大的差異，直至趨于一個穩定的顏色。在不同出射方向上，顏色差異也較大。通過分布光譜輻射計可以直接測量得到光譜輻照度和光譜輻射強度，再由光譜輻照度或光譜輻射強度計算得到顏色參數并進行分析，如色坐標、色空間不均勻性等。

對于球體表面指定的局部區域，空間平均色坐標（xa，ya）的計算方法為

2.2空間光譜快速掃描方法

為解決測量LED空間顏色分布耗時過長的問題，可通過連續轉動掃描方式，采用測動一體同步掃描技術。

測量過程中，分布光譜輻射計以一定的速度連續轉動，在測量平面處不停止。在連續轉動掃描過程中，在分布光譜輻射計轉動的每個信號積分間隔（SII）進行一次測量。每個信號積分間隔的轉動時間等于一次測量的積分時間。實際測量值即整個信號積分間隔段上的測量平均值。如圖2所示，對應的采樣角位置在信號積分間隔的中央。在每兩個連續的信號積分間隔之間設置一個操作間隔（OI）來獲取上一個信號積分間隔中的測量信號并決定下個信號積分間隔中的起始角測量位置。

測動一體同步掃描技術大大提高了測量系統的穩定性。采樣間隔主要取決于采樣信號變化很小處的角區域。對于信號變化很快的角區域，間隔將會更小。在采樣信號變化很大且信號很弱的情況下，應降低分布光譜輻射計的轉速以確保精度。

連續轉動掃描方法測得的信號可以表達為

2.3采樣間隔判定算法

在空間光譜光度測量時間合理的前提下，結合LED實際空間光譜分布情況自動計算，可實現LED空間光譜輻射測量的采樣間隔智能判定，從而實現空間光譜的高精度測量和信號恢復。實際上采樣間隔并不是越小越好，間隔太小會導致測量時間過長，間隔太大會降低測量精度，在選擇采樣間隔時應綜合考慮測量信號的重構和測量速度。

分布輻射計測量得到的信號是多維的。傳統測量技術的采樣間隔是根據每個波長下的輻射強度或輻照度來確定的，在不同波長下選擇的最小采樣間隔可認為是測量的最佳采樣間隔。但波長數目巨大，因此該方法使用不便，耗時較長。將光譜信息轉化為一維信號[如相關色溫（CCT）]后再判定采樣間隔，可以大大提高效率。

連續轉動掃描方法下的采樣間隔aI（C，γ^i）是采樣積分間隔a（C，γi）和操作間隔ao（C，γi）共同決定的，隨二者變化而變化。采樣間隔通過連續掃描和對比測量平面C處的邊界條件來確定。轉動速度、信號積分間隔和操作間隔都在每次掃描期間確定。具體判定過程如下。

1）通過分布輻射計測量相對輻射強度分布。

2）確定系統轉速ω（C），即最小信號積分間隔amin除以最小積分時間 tmin。初始的最小信號積分間隔根據測試源的特性人工設定。對于小光束角的光源應設置較小的信號積分間隔。通過調整分布光譜輻射計的積分時間來獲取最小積分時間，以確保輻射強度最大的角位置處仍有良好的信噪比。

3）根據相對輻射強度分布估算測量平面C處的信號積分間隔。為了保證高信噪比和轉速恒定，信號越弱，積分時間應越長，且信號積分間隔不能小于最小信號積分間隔。操作間隔隨著采樣信號的變化而變化。

為了找出輻射強度最大處的角位置并獲取信號分布，在每個測量平面C處需要先測量一次。不同角位置下的采樣積分間隔計算公式為

3實驗結果

首先用一只LED燈作為測量樣品，采用連續轉動掃描方法對其進行測量分析。圖5為LED光源的配光曲線和相關色溫分布曲線。

最小采樣積分間隔amin設為0.5°，ka為10，對應的積分時間先為50 ms，轉速ω（C）為10（°）/s。圖6列出了信號積分間隔和操作間隔的分布。圖7為真實信號g（C，γ^）和測量信號gm（C，γ^i）的曲線對比圖。圖8為真實信號和測量信號之間的相對誤差。系統最大積分間隔為10.5°，最小積分間隔為2.5°。

由表1和表2的測量數據可以得出，采用不同的測量系統進行空間色度和光度測量時，在空間色度的測量精度略有提高、空間光度的測量精度基本一致的前提下，空間色度測量速度提高了84%，空間光度的測量速度提高了61%。

用一只經過中國計量科學研究院定標的標準燈作為測試樣品，比較新系統、臥式分布光度計GO2000A（配套高精度光譜輻射計HAAS2000）的測量差值。具體數據見表1 和表2。

4結論

根據目前LED光源測量時光譜采集耗時長、測量精度低的現狀，采取測動一體空間光譜同步掃描技術，該技術不同于傳統的停轉間隔掃描方式下的信號采樣、處理方法，可以大幅度提升掃描速度。智能精準采樣間隔判定技術，有別于以往普遍認為的采樣間隔越小越好的采樣原則，根據被測樣品實際空間光譜分布情況和測量噪聲自動計算，從而實現采樣間距的精準智能判斷。通過綜合的空間顏色分布檢測分析技術，構建空間光譜仿真模型，模擬不同類型燈具和光源的空間光譜分布，不僅有助于完善LED照明產品的評價測試體系，同時可為LED上游產品研發提供指導，為中下游廣大LED廠商提供客觀、準確的評價依據，有利于對半導體照明燈具的性能進行統一檢測與評估，從而提高產品質量，增強產品的國際競爭力，推動產業健康良性發展，為我國進一步參與國際標準化制定提供參考。

參考文獻：

[1]徐國芳， 饒海波， 余心梅， 等. 白光LED光斑均勻性的改進[J]. 發光學報， 2008， 29（4）： 707712.

[2]羅曉霞， 榮浩磊， 曹鈞. 解析LED白光照明燈具中的色散問題[J]. 照明工程學報，2013， 24（4）： 99103.

[3]蔡怡， 朱騰飛， 張俊，等. 一種小型分布式光色度計的設計[J]. 光學儀器， 2012， 34（3）： 7578.

[4]Illuminating Engineering Society. IES LM7908 Electrical and photometric measurements of solidstate lighting products[S].New York： Illuminating Engineering Society， 2008.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 普通照明用LED模塊測試方法： GB/T 24824—2009[S]. 北京： 中國標準出版社， 2010.