室內健康照明產品參數的實驗室測試結果調查比對研究

鄭懷文，趙偉強，李 燕，楊 華

(1.中國科學院半導體研究所 中國科學院半導體照明研發中心 中國科學院大學 北京第三代半導體材料與應用工程技術研發中心 半導體照明聯合創新國家重點實驗室，北京 100083;2.中國計量科學研究院，北京 100029)

引言

近年來，面向健康照明的LED技術、光生物機理及應用技術受到了廣泛的重視[1-4]。目前的多數光生物健康機理的研究主要基于照明光源的色度學參數進行[5-7]，傳統的白光LED主要是通過將LED芯片發出的藍光與來自黃色熒光粉的黃光混合產生的，雖然能夠滿足色度學指標的實驗要求，但是與自然光源在光譜特性上存在很大差異。人們進而關注到類似自然光光譜的光源可能具有的健康照明屬性并進行了大量的工作[8-10]。在此過程中，判斷類似黑體輻射、重組日光等光源光譜的一致性、重復性等問題也成為了人們關注的對象[11-14]。

為了考察現有的照明產品檢測能力對于健康照明相關產品主要指標的檢測能力，支撐健康照明有關標準規范的制定工作，我們制備了不同色溫的全光譜LED室內用球泡燈和筒燈燈具，分別在3家有資質的實驗室(1家內資第三方實驗室A，1家內資企業實驗室B，1家外資第三方實驗室C)進行了相關色溫和光通量的檢測，并針對檢測結果進行了分析和比對。本研究對于促進提升國內健康照明產業檢測機構的測量能力，指導企業研發生產更有益的光健康照明產品，提高我國半導體照明產業的國際競爭力具有一定價值。

1 實驗樣品制備和測試方法

1.1 實驗樣品的制備

室內照明燈具數量較大的包括球泡燈、管燈、筒燈、射燈、平板燈等，我們先期選取了市場典型的球泡燈和筒燈樣品，對其進行了主要參數包括電壓、電流、功率、光通量、光效、相關色溫、顯色指數、色坐標等參數的測試并進行了比較。結果表明實驗室間所測試數據具有較強的可比性，考慮到與健康照明關系密切的主要是影響照度的總光通量和影響生物效應的光色指標參數，而基于光譜的評價指標和評價方法尚未得到廣泛應用，因此確定選用總光通量和相關色溫作為測試的主要參數。

根據以上對室內照明燈具的調研和初步檢測，選定LED球泡燈和LED筒燈為燈具形式。考慮到色溫覆蓋性和健康照明光譜研究工作的進展，我們采用類太陽光LED作為兩種燈具的光源。設計LED球泡燈的功率為7 W，LED筒燈的功率為22 W，燈具易達熱平衡，選用高品質恒流輸出，電流值設置為LED模塊最大輸入電流的50%左右，LED光源光度衰減慢，利于LED室內照明燈的輸出穩定性。常規的LED室內燈具的色溫一般為2 700～6 500 K附近，我們選用了3種不同色溫區間 2 700 K、4 000 K以及6 500 K附近，有助于考察不同色溫區間LED燈具在實驗室測試的光色參數測試結果的差異。制備并選取一批樣品后，進行老化預處理，篩選其中性能穩定的樣品作為比對樣品。如圖1所示，對選取的樣品進行8 h連續測試，其在30 min后光譜功率達到穩定狀態。在2周內進行多次測試，測試數據基本一致。

圖1 典型樣品的光譜穩定性Fig.1 Spectrum stability of samples

1.2 測試方法

測試方法參考GB/T 24824—2009《普通照明用LED模塊測試方法》，自鎮流LED模塊在額定電壓下測定，電壓穩定在額定值+0.5%范圍內；在光電參數穩定后測量，即15 min內，光通量變化小于0.5%后采集數據；總光通量采用積分球法或者光強積分法測量，其中積分球測量示意圖如圖2所示，其中圖(a)為在積分球中央中心放置光源，圖(b)和圖(c)分別在與探測器相對位置不同的積分球側壁放置光源。

圖2 積分球測量示意圖Fig.2 Integrating sphere measurement diagram

2 測試過程和測試結果

樣品完成制備、篩選和預測試之后，于2020年10月通過快遞方式委托實驗室B進行檢測并出具報告，2020年11月通過快遞方式委托實驗室A進行檢測并出具報告，2021年1月通過快遞方式委托實驗室C進行檢測并出具報告，在全部檢測完成后對3家實驗室的測試結果進行統計分析。之后為進一步進行研究，于2021年4月通過快遞方式委托中國計量科學研究院進行檢測并出具校準證書，作為測量標準值對3家實驗室的測試結果進行了進一步的調查分析。相關測試結果如表1～表4所示。

表1 球泡燈的光通量測試結果Table 1 Luminous flux test results of the bulb lamps

表2 球泡燈的相關色溫測試結果Table 2 The relevant color temperature test results of the bulb lamps

表3 筒燈的光通量測試結果Table 3 Luminous flux test results of the downlights

表4 筒燈的相關色溫測試結果Table 4 The relevant color temperature test results of the downlights

以上對球泡燈和筒燈的測試，其依據的主要測試標準為GB/T 24824、GB/T 9468和GB/T 24824和IES TS 79-08的測試要求。其中實驗室A的光通量相對不確定度(k=2)球泡燈2.1%、筒燈1.4%，相關色溫不確定度(k=2)球泡燈18 K、筒燈18 K；實驗室B的光通量相對不確定度球泡燈1.7%、筒燈1.8%，相關色溫不確定度球泡燈17 K、筒燈17 K；實驗室C的光通量相對不確定度球泡燈1.4%、筒燈1.4%，相關色溫不確定度球泡燈14K、筒燈14K；計量院測試數據不確定度在表1～表4中標出。

3 分析和討論

參考值的確定。根據CNAS-GL02《能力驗證結果的統計處理和能力評價指南》“4.3 指定值及其不確定度的確定”中確定指定值的常用方法要求，可以采用“有證參考值 —— 根據定義的檢測或測量方法確定(針對定量檢測)”作為指定值，也可以采用“由參加者確定的公議值——使用 GB/T 28043 和 IUPAC 國際協議等給出的統計方法，并考慮離群值的影響。例如，以參加者結果的穩健平均值、中位值(也稱為中位數)等作為指定值。附錄 A 給出了由參加者結果確定指定值的常用穩健統計方法”。

我們采用參加者的公議值和國家計量機構的有證參考值方法，分別進行了統計分析。

3.1 采用參與實驗室的公議值作為指定值

依據CNAS-GL02《能力驗證結果的統計處理和能力評價指南》附錄A“檢測能力驗證計劃常用文件統計方法”的總則，“通常采用經典方法，用格拉布斯(Grubbs)準則等統計方法剔除離群值后計算平均值和標準差，以平均值和標準差作為指定值和能力評定標準差”，考慮到參與調查實驗室的數量為3家，確定使用3家CNAS實驗室的平均值和標準差作為樣品的指定值和指定值的標準差。各參數的指定值及標準差見表5～表8。

表5 球泡燈的光通量指定值及標準差Table 5 Specified values and standard deviation of luminous flux of bulb lamps

表6 球泡燈的色溫指定值及標準差Table 6 Specified values of color temperature and standard deviation of bulb lamps

表7 筒燈的光通量指定值及標準差Table 7 Specified values of luminous flux and standard deviation of downlights

表8 筒燈的色溫指定值及標準差Table 8 Specified value of color temperature and standard deviation of downlights

依據CNAS-GL02《能力驗證結果的統計處理和能力評價指南》的要求，采用En值作為比對結果的評價方法。對于計算得到的En值，若其絕對值小于等于1，則結果滿意；若其絕對值大于1，則結果不滿意。各參數的En值計算列表見表9～表12。

表9 球泡燈光通量En值列表Table 9 List of flux En values for bulb lamps

表10 球泡燈相關色溫En值列表Table 10 List of relevant color temperature En values for bulb lamps

表11 筒燈光通量En值列表Table 11 List of luminous flux En values for downlights

表12 筒燈相關色溫En值列表Table 12 List of color temperature En values for downlights

當采用參與實驗的公議值作為指定值時，球泡燈共3個樣品，2個參數，選取有CNAS資質國內外參與單位3家。每個樣品對應2個En值，3個樣品對應6個En值，3家參與單位對應18個En值，全部符合預期。筒燈共3個樣品，2個參數，選取有CNAS資質國內外參與單位3家。每個樣品對應2個En值，3個樣品對應6個En值，3家參與單位對應18個En值，全部符合預期。

但是，由于參與比對調查的實驗室數量較少，其統計結果可能存在較大偏差。因此我們采用國家計量標準裝置對比對樣品進行校準測試，并以校準值作為指定值進行進一步的分析。

3.2 采用有證參考值作為指定值

根據CNAS-GL02《能力驗證結果的統計處理和能力評價指南》“4.3 指定值及其不確定度的確定”中確定指定值的常用方法要求，可以采用“有證參考值 —— 根據定義的檢測或測量方法確定(針對定量檢測)”作為指定值。參數的En值計算列表見表13～表16。

表13 球泡燈光通量En值列表Table 13 List of light flux En values for bulb lamps

表14 球泡燈相關色溫En值列表Table 14 List of related color temperature En value for bulb lamps

表15 筒燈光通量En值列表Table 15 List of luminous flux En values for downlights

表16 筒燈相關色溫En值列表Table 16 List of color temperature En values for downlights

由以上各表格數據可以看出，當使用有證參考值作為指定值時，各個色溫樣品的光通量參數的En值的絕對值小于1，是滿意結果。低色溫樣品的色溫值測試結果En也是在滿意區間。但是高色溫區域樣品的色溫值與標準值比較時存在明顯差異，其中實驗室B和實驗室C的相關色溫值測試結果En值的絕對值大于1，落在離群區間。

我們認為，該差異可能來源于校準儀器量值、校準方法或規范，以及所使用的測量儀器系統偏差等。一般來說，高色溫的LED樣品，其藍光成分(峰值波長在450 nm附近)占總輻射功率比重高，測量時光譜輻射計的藍色部分的響應定標系數將顯著影響測量結果。當在積分球系統中使用光譜總輻射通量燈(通常是鹵素燈)對光譜輻射計定標時，由于鹵素燈的光譜特點，其藍光成分占比小，考慮到光譜輻射計在藍光區域具有較低的響應度，另外藍色區域外的光可能會散射到藍色區域(即到內部雜散光影響)。此時光譜輻射計，特別是CCD型，藍色區域的光譜響應度定標，與其他區域相比將具有較大的不確定度。這使得高色溫區域的LED相關色溫值的測量和不確定度評定變得困難，容易產生偏差。未來可以通過采用更好的標準具以及測試技術和設備的改善進一步提升測量準確性和一致性。

4 結論

本文考察了現有的照明產品檢測能力對于健康照明相關產品部分主要指標的檢測能力，支撐了健康照明有關標準規范的制定工作。我們制備了不同色溫的全光譜LED室內用球泡燈和筒燈燈具，分別調查了3家有資質的實驗室(1家內資第三方實驗室A，1家內資企業實驗室B，1家外資第三方實驗室C)，進行了相關色溫和光通量的檢測。并針對檢測的結果進行了分析和比對,在采用公議值作為指定值的時候光通量參數和色溫參數都可以滿意，這可能與多家檢測機構的設備校準溯源與測試儀器趨同有關。在采用上級計量機構的校準證書值作為指定值的時候，其光通量和低色溫的色溫檢測值均滿意，但是高色溫的色溫檢測值存在一定的偏離，未來可以通過采用更好的標準具以及測試方法、技術和設備的改善進一步提升健康照明產品指標的測量準確性和一致性。本研究對于促進提升國內健康照明產業檢測機構的測量能力，指導企業研發生產更有益的光健康照明產品，提高我國半導體照明產業的國際競爭力具有一定價值。