蔡怡+汪哲弘+朱騰飛+錢楓+朱敏娃++陳聰++閔芳勝

摘要： LED照明產(chǎn)品的空間色度和光度分布是衡量其產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，但傳統(tǒng)的空間色度測量技術(shù)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(shù)顯得尤為重要。基于對測動一體空間光譜同步掃描技術(shù)、智能精確采樣間隔判定技術(shù)和LED空間顏色分布綜合分析技術(shù)的研究，構(gòu)建了一套快速測量LED空間色度和光度的測量系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)較之傳統(tǒng)測量系統(tǒng)，在確保精度的基礎(chǔ)上，測量速度有較大提高，有效地提升了空間測量的效率。

關(guān)鍵詞： 發(fā)光二級管（LED）； 均勻性； 顏色分布； 光強(qiáng)分布； 快速測量

中圖分類號： TH 131.9文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)品因其發(fā)光機(jī)理，具有較為明顯的空間光色不均勻性[1]，特別是經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計，其顏色的不均勻性更加明顯，在不同的觀察角表現(xiàn)出相異的顏色，主要包括邊緣黃斑/藍(lán)斑、彩邊、混光不勻等顏色不均勻現(xiàn)象[2]。這一空間顏色特性極大地限制了LED照明產(chǎn)品在日常生活中的廣泛應(yīng)用，對室內(nèi)照明的影響尤為嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)IES LM—79：2008[4]以及我國國家標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品空間光色均勻性的檢測技術(shù)研究成為目前國內(nèi)外研究的熱點之一。

空間光度測試技術(shù)已經(jīng)取得較為成熟的發(fā)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(zhuǎn)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(dǎo)致測試精度較低，光度測量誤差甚至超過10%。此外為了實現(xiàn)燈具穩(wěn)定控制，測試速度也不能太快，否則會影響效率?；谶@種現(xiàn)狀，本文研究了一種采用測動一體空間光譜同步掃描技術(shù)、智能精確采樣間隔判定技術(shù)的LED空間顏色分布綜合分析技術(shù)，來實現(xiàn)LED空間光譜光度的快速準(zhǔn)確測量。

光學(xué)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(shù)

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由二維轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)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(shù)采集器和計算機(jī)系統(tǒng)等組成，其工作原理如圖1所示。

系統(tǒng)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(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，在發(fā)射光達(dá)到的整個角度區(qū)域內(nèi)選擇合適的角度間隔進(jìn)行測量的工作方式。轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動范圍能滿足0°～360°，轉(zhuǎn)角精度達(dá)到0.1°。每個轉(zhuǎn)動軸應(yīng)由電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)速度最快可以達(dá)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(tǒng)硬件設(shè)有暗箱用以消除環(huán)境光，光闌用以消除雜散光，以保證測試精度。配合軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)各類燈具和光源產(chǎn)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(xiàn)較大的差異，直至趨于一個穩(wěn)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(qiáng)度，再由光譜輻照度或光譜輻射強(qiáng)度計算得到顏色參數(shù)并進(jìn)行分析，如色坐標(biāo)、色空間不均勻性等。

對于球體表面指定的局部區(qū)域，空間平均色坐標(biāo)（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(xù)轉(zhuǎn)動掃描方式，采用測動一體同步掃描技術(shù)。

測量過程中，分布光譜輻射計以一定的速度連續(xù)轉(zhuǎn)動，在測量平面處不停止。在連續(xù)轉(zhuǎn)動掃描過程中，在分布光譜輻射計轉(zhuǎn)動的每個信號積分間隔（SII）進(jìn)行一次測量。每個信號積分間隔的轉(zhuǎn)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(yīng)的采樣角位置在信號積分間隔的中央。在每兩個連續(xù)的信號積分間隔之間設(shè)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(shù)大大提高了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采樣間隔主要取決于采樣信號變化很小處的角區(qū)域。對于信號變化很快的角區(qū)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(yīng)降低分布光譜輻射計的轉(zhuǎn)速以確保精度。

連續(xù)轉(zhuǎn)動掃描方法測得的信號可以表達(dá)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(jié)合LED實際空間光譜分布情況自動計算，可實現(xiàn)LED空間光譜輻射測量的采樣間隔智能判定，從而實現(xiàn)空間光譜的高精度測量和信號恢復(fù)。實際上采樣間隔并不是越小越好，間隔太小會導(dǎo)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(yīng)綜合考慮測量信號的重構(gòu)和測量速度。

分布輻射計測量得到的信號是多維的。傳統(tǒng)測量技術(shù)的采樣間隔是根據(jù)每個波長下的輻射強(qiáng)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(rèn)為是測量的最佳采樣間隔。但波長數(shù)目巨大，因此該方法使用不便，耗時較長。將光譜信息轉(zhuǎn)化為一維信號[如相關(guān)色溫（CCT）]后再判定采樣間隔，可以大大提高效率。

連續(xù)轉(zhuǎn)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(xù)掃描和對比測量平面C處的邊界條件來確定。轉(zhuǎn)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(qiáng)度分布。

2）確定系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(jù)測試源的特性人工設(shè)定。對于小光束角的光源應(yīng)設(shè)置較小的信號積分間隔。通過調(diào)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(qiáng)度最大的角位置處仍有良好的信噪比。

3）根據(jù)相對輻射強(qiáng)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(zhuǎn)速恒定，信號越弱，積分時間應(yīng)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(qiáng)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(jié)果

首先用一只LED燈作為測量樣品，采用連續(xù)轉(zhuǎn)動掃描方法對其進(jìn)行測量分析。圖5為LED光源的配光曲線和相關(guān)色溫分布曲線。

最小采樣積分間隔amin設(shè)為0.5°，ka為10，對應(yīng)的積分時間先為50 ms，轉(zhuǎn)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(tǒng)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(shù)據(jù)可以得出，采用不同的測量系統(tǒng)進(jìn)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(jīng)過中國計量科學(xué)研究院定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)燈作為測試樣品，比較新系統(tǒng)、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(shù)據(jù)見表1 和表2。

4結(jié)論

根據(jù)目前LED光源測量時光譜采集耗時長、測量精度低的現(xiàn)狀，采取測動一體空間光譜同步掃描技術(shù)，該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的停轉(zhuǎn)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(zhǔn)采樣間隔判定技術(shù)，有別于以往普遍認(rèn)為的采樣間隔越小越好的采樣原則，根據(jù)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(xiàn)采樣間距的精準(zhǔn)智能判斷。通過綜合的空間顏色分布檢測分析技術(shù)，構(gòu)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(chǎn)品的評價測試體系，同時可為LED上游產(chǎn)品研發(fā)提供指導(dǎo)，為中下游廣大LED廠商提供客觀、準(zhǔn)確的評價依據(jù)，有利于對半導(dǎo)體照明燈具的性能進(jìn)行統(tǒng)一檢測與評估，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的國際競爭力，推動產(chǎn)業(yè)健康良性發(fā)展，為我國進(jìn)一步參與國際標(biāo)準(zhǔn)化制定提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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