田增國(guó)，邱躍龍，楊海彬，李宇翔，吳 晗

(1.鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院，鄭州 450001;2.國(guó)家建筑裝修材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，鄭州 450014)

0 引言

光源的研發(fā)已成為全球的焦點(diǎn)，各國(guó)政府對(duì)LED產(chǎn)品的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，對(duì)LED 產(chǎn)品檢測(cè)提出更高要求，各類產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督、第三方檢測(cè)和專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)以及企業(yè)自身對(duì)檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)生新的需求。

對(duì)于LED 及其成品燈的光色特性測(cè)量，仍沒有統(tǒng)一的測(cè)試方法，目前，大多采用積分球或分布光度計(jì)進(jìn)行LED 的光學(xué)特性測(cè)量。分布光度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)精度高，但價(jià)格十分昂貴，操作復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，需要6～8 h，無法滿足中小企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試需求。用積分球測(cè)試系統(tǒng)精度較低，但價(jià)格便宜，易操作，測(cè)量速度快，單次測(cè)量只需30 min 左右，然而由于沒有專用的LED 標(biāo)準(zhǔn)光源，測(cè)量結(jié)果可信度較低。

為此，我們采用積分球測(cè)試系統(tǒng)通過放在積分球不同位置、朝向不同角度對(duì)LED/COB 天花燈進(jìn)行光、色特性測(cè)試，然后使用精度高的分布光度計(jì)對(duì)同一個(gè)LED/COB天花燈的相關(guān)光、色參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而研究分析用積分球?qū)ED 成品燈的測(cè)試方法和誤差的補(bǔ)償。

1 LED 的光學(xué)特性與位置關(guān)系

傳統(tǒng)封裝的LED 一般為圓形或圓柱形，其發(fā)光角度為5°～90°。而且LED 光源的光強(qiáng)分布不均勻，即在法線方向上的光強(qiáng)最大。隨著發(fā)光方向與法線方向的角度增加，其光強(qiáng)是一個(gè)近似的朗伯光源，而且它的發(fā)光面積也比較小，即LED 的光分布在某一個(gè)方向上時(shí)亮度最大，此時(shí)光是垂直于LED 發(fā)光面的，即與軸線方向?yàn)榱愣冉?，隨著角度的增大亮度會(huì)減小，如圖1 和圖2 所示。

圖1 LED 出射光線的出射角度

圖2 發(fā)光強(qiáng)度與空間角度的關(guān)系

2 積分球測(cè)量原理

積分球測(cè)試系統(tǒng)通過相對(duì)法測(cè)量LED 光源的光通量、光譜分布和色度。用于待測(cè)LED 同類型的標(biāo)準(zhǔn)光源校正積分球光度計(jì)和光譜輻射計(jì)，以得到較好的測(cè)量不確定度。本次測(cè)試采用專為L(zhǎng)ED 定標(biāo)的窄光束角D65 標(biāo)準(zhǔn)光源。

采用積分球測(cè)試法，放置在積分球內(nèi)光源、擋屏、支架等物體會(huì)改變球內(nèi)的光分布，形成自吸收效應(yīng)。燈處在不同的位置或角度時(shí)，球內(nèi)的光分布也不相同。測(cè)試時(shí)，通常將光源置于積分球的中心位置，并處于如圖3 所示測(cè)試狀態(tài)。

通過布設(shè)在積分球探測(cè)窗口的光度計(jì)和光譜輻射計(jì)，分別測(cè)量光源的光通量和平均光譜功率分布，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算光譜修正因子并修正光度計(jì)測(cè)量值，光譜修正因子計(jì)算

圖3 LED 光源置于積分球中間向下

式中:V(λ)為已知CIE 標(biāo)準(zhǔn)光譜光效率函數(shù);s(λ)rel為光度計(jì)的已知相對(duì)光譜靈敏度;P(λ)s用于校準(zhǔn)光度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)光源的已知相對(duì)光譜功率分布;P(λ)t為光譜輻射計(jì)所測(cè)得的待測(cè)光源相對(duì)光譜功率分布;τ(λ)為積分球涂層的光譜等效透過率，可以通過式(2)計(jì)算得到

式中:ρ(λ)為積分球涂層的光譜反射率;k為常數(shù)。

在積分球測(cè)試系統(tǒng)中，LED 光源光通量Φ測(cè)的測(cè)量如式(3)

式中:Φ參比，P參比(λ)分別為L(zhǎng)ED 標(biāo)準(zhǔn)光源的光通量和相對(duì)光譜功率分布;V(λ)為光譜光視效率;P參比(λ)為待測(cè)LED 光源的相對(duì)光譜功率分布。

對(duì)于光源，假設(shè)其發(fā)射光譜為P(λ)，則人眼的刺激值響應(yīng)如式(4)所示。

只要測(cè)得被測(cè)對(duì)象的相對(duì)光譜功率分布就可以計(jì)算出其色品坐標(biāo)、相關(guān)色溫和顯色指數(shù)。對(duì)于式(4)中k 值進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出Y 值即可測(cè)得其光通量、照度、亮度等光度學(xué)參數(shù)。

3 分布光度計(jì)測(cè)量原理

在足夠多的發(fā)光平面上，以足夠小的角度間隔測(cè)量以分布光度計(jì)的光度探測(cè)器到被測(cè)LED 光源發(fā)光中心之間的測(cè)量距離為半徑的虛擬球面上的各點(diǎn)照度。平面間角度間隔一般為5°，平面內(nèi)的角度間隔一般為1°，當(dāng)被測(cè)LED 模塊尺寸較大或光束角較窄時(shí)，應(yīng)采用更小的平面間隔和角度步長(zhǎng)，以保證照度分布的取樣完整性。

用數(shù)值積分的方式計(jì)算出LED 模塊的總光通量Φtot如式(5)所示。

式中:r為虛擬球面的半徑;Stot為虛擬球上的表面面積;(ε，η)為空間角，如圖4 所示。

圖4 分布光度計(jì)測(cè)試原理

分布光度計(jì)的光強(qiáng)測(cè)量一般通過照度平方反比公式計(jì)算得到

式中:I(ε，η)為(ε，η)方向上光源的發(fā)光強(qiáng)度，單位為cd;d為測(cè)量距離，單位為m;(ε，η)為空間角度;E(ε，η)為空間(ε，η)方向上到光源距離為d 的測(cè)量點(diǎn)照度。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 積分球系統(tǒng)測(cè)量

用D204 標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)PMS-50 增強(qiáng)型積分球測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，將3 W COB 封裝的LED 天花燈放入積分球，利用恒流電源驅(qū)動(dòng)，通過光譜分析儀記錄相應(yīng)的參數(shù)，如圖5 所示。

圖5 PMS-50 增強(qiáng)型積分球測(cè)試系統(tǒng)

保持倍增管溫度在29±1 ℃，室溫穩(wěn)定在25±1 ℃，燈溫穩(wěn)定在30±1 ℃。

4.1.1 放置不同角度

以LED 燈朝向擋板為前，分別在LED 等朝向前、后、左、右、上、下的情況下進(jìn)行光色學(xué)特性測(cè)量，如圖6 所示，分別測(cè)量5 次求其平均值，如表1 所示。

圖6 LED 按照不同角度放置

表1 LED 按照不同角度放置的測(cè)量結(jié)果

(1)光通量。當(dāng)COB 天花燈朝向前放置時(shí)，雖然探測(cè)器由擋板擋著，但仍有部分光直射到探測(cè)器上，因而測(cè)量值最大為235.62 lm;而當(dāng)COB 天花燈朝后時(shí)，光線經(jīng)過漫反射照射到探測(cè)器上，測(cè)量值最小為219.38 lm，極值相差16.24 lm。

(2)色溫。色溫和色度坐標(biāo)有關(guān)，色溫值升高，顏色變冷。LED 燈朝前時(shí)色溫測(cè)量值最大為6 661.4 K，向上測(cè)量值為6 268.2 K，向下測(cè)量值為6 219.2 K，其他情況下與向下測(cè)量值相差不超過1%。

(3)顯色性Ra。光譜決定了顯色性，各波段光譜連續(xù)且豐富時(shí)，顯色性較好;部分波段光波缺失或較少時(shí)，顯色性較差。COB 天花燈朝向前時(shí)顯色性最大為85.18，朝向后時(shí)顯色性最小為83.94，極值相差1.24。

(4)光效。光效在不同角度下測(cè)量值的分布變化和光通量是基本一致的。COB 天花燈朝前時(shí)的光效測(cè)量值最大，為82.28 lm/W;背向擋板時(shí)的光效測(cè)量值最小，為75.66 lm/W。極值差為6.62 lm/W。

(5)主波長(zhǎng)。主波長(zhǎng)反映了待測(cè)光源的光譜與標(biāo)準(zhǔn)光源體光譜的差距。COB 天花燈朝前時(shí)的主波長(zhǎng)測(cè)量值最小為475.4 nm，其他情況下的測(cè)量結(jié)果與向下放置時(shí)的測(cè)量結(jié)果差距不大，向下放置時(shí)的測(cè)量值為479.68 nm。

4.1.2 放置位置不同時(shí)的測(cè)試

將COB 天花燈分別置于積分球底部、左部、后部、頂部、右部和中部時(shí)進(jìn)行測(cè)量，如圖7 所示，每個(gè)位置測(cè)量5 次，取平均值如表2 所示。

圖7 LED 按照不同位置放置

表2 LED 按照不同位置放置的測(cè)量結(jié)果

(1)光通量。COB 天花燈放在積分球底部時(shí)直接照射到探測(cè)器的光最多，最大值為238.42 lm，而放在中間時(shí)直接照射到探測(cè)器的光最少，最小值為227.16 lm，極值差為11.26 lm，占中間測(cè)量值的5%。

(2)色溫。LED 放置在后部且朝向擋板時(shí)的色溫測(cè)量值最大，為6 466.8 K，其次是放置在底部時(shí)的測(cè)量值，為6 332.2 K，放在中間時(shí)的測(cè)量值為6 224.6 K，其他情況下的測(cè)量值與放置在中間時(shí)的測(cè)量值相差不大。

(3)顯色指數(shù)。COB 天花燈在積分球后部時(shí)顯色指數(shù)最大為84.68，在積分球中心時(shí)顯色指數(shù)為83.98，其他位置時(shí)與中間測(cè)量值差別不大，極值相差0.7，占中間測(cè)量值的0.8%。

(4)光效。COB 天花燈在積分球底部時(shí)的光效測(cè)量值最大為79.47 lm/W，燈在中間時(shí)的光效測(cè)量值最小為75.72 lm/W，極值差為3.75 lm/W，占中間測(cè)量值的4.95%。光效測(cè)量值分布與光通量一致。

(5)主波長(zhǎng)。放在后部時(shí)的主波長(zhǎng)測(cè)量值最小，為477.06 nm，放在其他位置時(shí)的測(cè)量值差別不大。

COB 天花燈放在積分球后部時(shí)，距離探測(cè)器最遠(yuǎn)，因此在光譜測(cè)試中與其他位置下的測(cè)量值差距較大。

4.2 分布光度計(jì)系統(tǒng)測(cè)量

本次檢測(cè)采用臥式分布光度計(jì)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖

對(duì)3 W COB 封裝的LED 天花燈測(cè)得總光通量為194.24 lm，色度坐標(biāo)x=0.315 5，y=0.315 0，u'=0.205 3，v'=0.461。色溫為6 452 K，主波長(zhǎng)λ 為476.4 nm，色純度P=7.8%，紅色比R=15.8%，顯色指數(shù)Ra=85.3。

4.3 結(jié)果分析

(1)光通量。在控制單一變量的條件下，對(duì)于3 W COB 封裝LED 天花燈光通量，分布光度計(jì)測(cè)量結(jié)果為194.24 lm。用積分球測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，光通量測(cè)量值為227.16 lm，是分布光度計(jì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的116.94%。

(2)顯色指數(shù)。分布光度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的顯色指數(shù)Ra 為85.3。用積分球測(cè)試時(shí)顯色指數(shù)為83.98，是分布光度計(jì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的98.45%，測(cè)試結(jié)果差別不大。

(3)色溫。分布光度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試色溫為6 452 K，用積分球測(cè)試的測(cè)量值為6 219.2 K。

(4)主波長(zhǎng)。分布光度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試值為476.4 nm，用積分球測(cè)試的測(cè)量值為479.74 nm。測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

通過分析測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)用積分球測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試光通量的結(jié)果比分布光度計(jì)的測(cè)試結(jié)果偏高，但不同位置和角度下積分球測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果基本相同。與分布光度計(jì)的測(cè)試結(jié)果相比，積分球系統(tǒng)對(duì)不同位置和角度下色溫的測(cè)量值普遍較低，對(duì)主波長(zhǎng)的測(cè)量值普遍較高，對(duì)顯色指數(shù)的測(cè)量值普遍較低。將測(cè)量差值按照百分比進(jìn)行衡量，差值與分布光度計(jì)相比，只有積分球?qū)馔康恼y(cè)試值與分布光度計(jì)測(cè)試值為16.94%，其他光色參數(shù)的測(cè)量差值均未超過5%。

圖9 積分球測(cè)試結(jié)果與分布光度計(jì)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

5 小 結(jié)

測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于LED 光源，由于其自身發(fā)光的不均勻性，其空間光度和色度參數(shù)是不同的，積分球測(cè)試系統(tǒng)對(duì)3 W COB 的LED 天花燈測(cè)量結(jié)果與分布光度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析，存在一定的差距，但差距不大。

針對(duì)積分球測(cè)量速度快、易操作、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，建議LED 成品燈的測(cè)量采用積分球測(cè)試系統(tǒng)，將其放置在積分球中心向下位置，對(duì)不同的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

［1］遠(yuǎn)方光電.光電信息檢測(cè)龍頭有望再次閃耀［J］.股市動(dòng)態(tài)分析，2014(38):63～63

［2］GBT 24824—2009 普通照明用LED 模塊測(cè)試方法［S］

［3］孫云龍.一種新型LED 模組設(shè)計(jì)及工藝創(chuàng)新［J］.電子元件與材料，2014(11)

［4］PMS-50(增強(qiáng)型)紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)用戶手冊(cè)［Z］.2008

［5］分布光度計(jì)系統(tǒng)用戶手冊(cè)［Z］