定向照明燈具空間顏色均勻性的快速測試評定方法

甘 明，宗 穎，謝湘云，吳 崇

(東莞華明燈具有限公司，廣東 東莞 523653)

引言

隨著LED光效及光色性能的提升、LED制造成本的下降，LED燈具相比傳統燈具的優勢愈發明顯。一款高品質的LED定向照明燈具的光學性能有如下幾個特點：一是光效高；二是光形可控；三是能夠實現現場需求的任意光色；四是空間顏色均勻度良好。對于LED燈具空間顏色，由于LED一般采用芯片+熒光粉的發光方式，因此LED的顏色可以非常豐富。在LED燈具實際使用中，特別是在博物館及大型商場等重點照明項目上，LED燈具出光的顏色均勻性會影響人對物品本身的分辨感知，因此行業對LED燈具出光的空間顏色均勻性提出了更高的要求[1]。

目前，LED顏色評價理論引入了一些新的參數，如光品質CQS、色偏愛指數CPI、全色域指數GAI、色分辨指數CDI等。這些參數指標的提出可以讓LED燈具的光色可控性好、光色越來越舒適。但是關于光的空間顏色均勻性方面的行業標準較少，對它的測試評價比較困難。美國“能源之星”的標準對出光均勻性給出了相關的規定，要求Δu′v′需小于0.006[2]，測量方法采用分布式光度計設備，并采用測試標準IES LMP79-08和IES LM-58-13，CIE 15：2004。但是這種檢測評定方法耗時久、成本高[3]，而且一般無法在現場提供分布式光度計進行測試，只能采用目視法定性判斷LED燈具的光色性能。目視法雖然簡單方便、比較直觀，但是不能定量分析且受人的因素影響，不利于分析解決現場實際使用問題。為此，需要研究LED燈具出光的空間顏色均勻性測試方法及快速測試評價方法，從而確保LED燈具特別是LED定向照明燈具的光空間顏色均勻性滿足高端LED照明的相關需求。

1 測試原理和計算方法

為了正確衡量LED定向照明燈具出光的空間顏色均勻性，通常采用分布式光度計進行測試，測試方法采用測試標準IES LM-79-08、IES LM-58和CIE 15：2004。

實驗室分布式光度計測量燈具顏色均勻性的原理為：利用設備測試燈具的光譜，在圖1中θ(0°～180°)方向、Φ(0°～180°)方向上等分為N份等角度的點，測量這些等角度點的色坐標值。然后根據色度學相關公式計算出每一點相對于中心點(或對于以照度值和空間立體角度加權平均值點)的色差，取最大值點來評價一款燈具的空間顏色均勻性[4-6]。

依據光譜儀測試的x、y數據，根據CIE 1960均勻色品標尺(UCS)圖原理[7]，利用式(1)計算：

(1)

根據CIE 1976 UCS圖原理公式：

(2)

(3)

圖1 分布式光度計測試空間顏色均勻性的幾何圖Fig.1 Geometry for the chromaticity measurement using a goniophotometer

得到u′、v′數值之后就可以根據測算數據進行計算Δu′v′了。燈具的空間顏色均勻性指標一般有兩種計算方式，一種是以中心點坐標為標準參考點計算，其計算公式如下：

(4)

另外一種計算方式是以各采樣點的照度值和立體角因素加權，用加權平均值作為標準參考點計算。

φ=0°和φ=90°(或更多角度)的色度坐標和光強先在每個φ角求平均數x(θi)、y(θi)和I(θi),其中θi=10°、10°、…、180°(這里Δθ取10°，需要看適配燈具，如果是小角度射燈，Δθ可以按照實際需要取值,θmax可以按照I10點來取值，本文針對角度為5°的射燈，故Δθ取1°，θmax取5°)，然后求解平均色度坐標。

(5)

(6)

其中

(7)

(8)

其最終的計算公式為

(9)

由于LED定向照明燈具作為小角度燈具，其中心點顏色基本可以代表燈具的顏色，因此我們按照第一種方式去計算，這樣比較簡單有效，也方便現場操作和判斷。

式(1)中，x、y為CIE 1931-xyz標準色品圖值，u、v為CIE 1960 UCS均勻色品圖色坐標值，式(2)中u′、v′為CIE 1976 UCS均勻色品圖上色坐標值，式(3)中Δu′v′為空間顏色均勻性指數，u0代表在O點的u值，ua代表在角度a點的u值，v0代表在O點的v值，va代表在角度a點的v值Δu′v′越小表示色差越小，體現為空間顏色均勻性越好。

2 空間顏色均勻性的測試方法

2.1 利用分布式光度計

采用LED定向照明燈具(LED照明燈具A)對博物館展品進行照明，依據測試標準及測試方法，首先采用分布式光度計對LED照明燈具A出光的空間顏色均勻性進行測量。由于LED定向照明燈具A出光角度為5°，為了測試方便，以1°為一個步長進行測試，根據測試值計算了LED燈具出光的空間色差Δu′v′,如表1所示[8]。

表1 照明燈具A光度測試(分布式光度計)Table 1 Luminosity test for luminaire A (spot goniophotometer)

2.2 利用手持式光譜彩色照度計

為了滿足現場的需求，根據分布式光度計測量燈具顏色均勻性的原理，用手持式光譜彩色照度計來測試燈具空間角度分布上的相應點來計算燈具的顏色均勻性。同樣采用LED定向照明燈具A，以1°為一個步長進行測試。

模仿實驗室分布式光度計的測量方法，見圖2，在發光面位于離地面3 m高度時，當光束角定義為5°時，其圓弧上的點實際可以看為直線。這樣我們可以在一塊白色干凈的木板上按1°一個步長來布點，1°對應的直線距離L計算如下：

圖2 手持式光譜彩色照度計測量空間顏色均勻性原理Fig.2 The principle of spatial color uniformity measured by a handheld spectral color illuminometer

(10)

將R=3 000 mm代入式(10),計算得L=52.3 mm;這樣我們以間距52.3 mm的距離來擺放光譜彩色照度計的探頭，測量和記錄四個方向的A、B、C、D、E五個點的色坐標，見圖3。

圖3 光譜彩色照度計探頭擺放位置示意圖Fig.3 The position of the spectral color illuminameter probe

記錄LED照明燈具A的色坐標及相關數據后，依據x、y數據，從而計算出Δu′v′的值如表2所示。

2.3 兩種測試方法的比較

依據不同的空間顏色均勻性測試方法，對于LED照明燈具A,測試對比數據如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，分布式光度計測試數據與手持式光譜彩色照度計測試數據非常接近，從而說明在照明現場可采用手持式光譜彩色照度計評估LED定向照明燈具的空間顏色均勻性。

表2 照明燈具A光度測試(手持式光譜彩色照度計)Table 2 Luminosity test for luminaire A (hand-held spectral color illuminometer)

圖4 空間色差數據Δu′v′,測試比對(C0°/180°)Fig.4 Spatial chromatic aberration data Δu′v′,test comparison (C0°/180°)

圖5 空間色差數據Δu′v′,測試比對(C90°/270°)Fig.5 Spatial chromatic aberration data Δu′v′,test comparison (C90°/270°)

3 實際現場空間顏色均勻性的處理

已知燈具的空間顏色均勻度的數據后，依據美國“能源之星”標準中Δu′v′需小于0.006要求，我們可以看出在哪些點是符合標準的。對于手持式光譜彩色照度計，如何去判斷一個燈具的色差大小，不是隨意按任意一個點的色坐標來判斷，需要取各個方向上的點來評估。

對于LED燈具A,如果我們希望被照物料的色差小于0.004。從計算結果看出，在-4°～4°的出光范圍，即在D1-D2-D3-D4的坐標圓形范圍內，Δu′v′值小于0.004，即在圖6中γ的角度需要設置在-4°～4°的出光范圍內。

圖6 LED燈具出光角度的調整方法Fig.6 Adjustment method of light output angle of LED lamps

如圖6所示，已知被照物體長度為C，覆蓋被照物體的燈光角度γ是-4°～4°，被照物體的中心離燈具的水平距離為D,燈具出光口安裝距離離地面為L，那么可以計算出此時燈具的轉動角度θ的大小，利用tan(θ+γ/2)=(L+C/2)/H可以得出θ角度。

θ代表燈具在這個投射角度下物體能滿足Δu′v′小于0.004，即顏色均勻性達到所想設定的范圍。當然，如果燈具在已知的H的高度，投射角度已經設定好，我們可以得到L的距離，同樣也可以設定燈具高度。

4 結論

我們討論了用手持式光譜彩色照度計測量燈具在空間的色坐標，并依據空間顏色測試的基本原理計算出相應的空間顏色的色差，從而通過色差數據判斷了LED定向照明燈具的空間光顏色是否在合理范圍內，及如何優化安裝燈具的投射角度能讓燈具出光顏色表現的更加均勻。這解決了在照明現場設計燈光時無法定量判定LED燈具空間光顏色均勻性是否符合要求的難題，同時我們依據LED燈具空間光顏色均勻性測試數據，利用簡單的計算調整燈具投光角度、高度或距離,使LED定向照明燈具出光滿足照明的需求，從而取得良好的照明效果。