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(tǒng)燈具的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。一款高品質(zhì)的LED定向照明燈具的光學(xué)性能有如下幾個特點：一是光效高；二是光形可控；三是能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)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(fā)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(yè)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(shù)，如光品質(zhì)CQS、色偏愛指數(shù)CPI、全色域指數(shù)GAI、色分辨指數(shù)CDI等。這些參數(shù)指標(biāo)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(guān)于光的空間顏色均勻性方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較少，對它的測試評價比較困難。美國“能源之星”的標(biāo)準(zhǔn)對出光均勻性給出了相關(guān)的規(guī)定，要求Δu′v′需小于0.006[2]，測量方法采用分布式光度計設(shè)備，并采用測試標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場提供分布式光度計進(jìn)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(xiàn)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(guān)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(jìn)行測試，測試方法采用測試標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(biāo)值。然后根據(jù)色度學(xué)相關(guān)公式計算出每一點相對于中心點(或?qū)τ谝哉斩戎岛涂臻g立體角度加權(quán)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(jù)光譜儀測試的x、y數(shù)據(jù)，根據(jù)CIE 1960均勻色品標(biāo)尺(UCS)圖原理[7]，利用式(1)計算：

(1)

根據(jù)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(shù)值之后就可以根據(jù)測算數(shù)據(jù)進(jìn)行計算Δu′v′了。燈具的空間顏色均勻性指標(biāo)一般有兩種計算方式，一種是以中心點坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)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(quán)，用加權(quán)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)參考點計算。

φ=0°和φ=90°(或更多角度)的色度坐標(biāo)和光強先在每個φ角求平均數(shù)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(biāo)。

(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(xiàn)場操作和判斷。

式(1)中，x、y為CIE 1931-xyz標(biāo)準(zhǔn)色品圖值，u、v為CIE 1960 UCS均勻色品圖色坐標(biāo)值，式(2)中u′、v′為CIE 1976 UCS均勻色品圖上色坐標(biāo)值，式(3)中Δu′v′為空間顏色均勻性指數(shù)，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(xiàn)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(jìn)行照明，依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行測試，根據(jù)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(xiàn)場的需求，根據(jù)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(yīng)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(jìn)行測試。

模仿實驗室分布式光度計的測量方法，見圖2，在發(fā)光面位于離地面3 m高度時，當(dāng)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(yīng)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(biāo)，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(biāo)及相關(guān)數(shù)據(jù)后，依據(jù)x、y數(shù)據(jù)，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(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與手持式光譜彩色照度計測試數(shù)據(jù)非常接近，從而說明在照明現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)Δu′v′,測試比對(C90°/270°)Fig.5 Spatial chromatic aberration data Δu′v′,test comparison (C90°/270°)

3 實際現(xiàn)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(shù)據(jù)后，依據(jù)美國“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)中Δu′v′需小于0.006要求，我們可以看出在哪些點是符合標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(jié)果看出，在-4°～4°的出光范圍，即在D1-D2-D3-D4的坐標(biāo)圓形范圍內(nèi)，Δu′v′值小于0.004，即在圖6中γ的角度需要設(shè)置在-4°～4°的出光范圍內(nèi)。

圖6 LED燈具出光角度的調(diào)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(zhuǎn)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(dá)到所想設(shè)定的范圍。當(dāng)然，如果燈具在已知的H的高度，投射角度已經(jīng)設(shè)定好，我們可以得到L的距離，同樣也可以設(shè)定燈具高度。

4 結(jié)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(biāo)，并依據(jù)空間顏色測試的基本原理計算出相應(yīng)的空間顏色的色差，從而通過色差數(shù)據(jù)判斷了LED定向照明燈具的空間光顏色是否在合理范圍內(nèi)，及如何優(yōu)化安裝燈具的投射角度能讓燈具出光顏色表現(xiàn)的更加均勻。這解決了在照明現(xiàn)場設(shè)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(jù)LED燈具空間光顏色均勻性測試數(shù)據(jù)，利用簡單的計算調(diào)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。