蔡 怡，朱騰飛，張 俊，毛滋春

（1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，浙江 杭州 310019；2.杭州新葉光電工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310013）

引 言

作為固體光源的發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），真正點燃了“綠色照明”的光輝，被認為是21世紀最有價值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導(dǎo)，使照明技術(shù)面臨一場新的革命，從而一定程度上改善人類的生產(chǎn)和生活方式。

目前一般用于LED照明產(chǎn)品的是大功率白光LED，其主要是利用藍色LED芯片和黃色熒光粉光轉(zhuǎn)換，即直接在芯片表面涂覆熒光粉和硅膠混合體，由于涂覆的熒光粉粉層厚度很難控制，所以出現(xiàn)出射光空間顏色分布不均勻現(xiàn)象，即在不同的方向上的發(fā)光顏色不相同。LED燈具一般由多顆LED組成，熒光粉緊貼芯片發(fā)熱源，溫升導(dǎo)致熒光粉性能劣化，燈具散熱不均勻也會使得各區(qū)域溫度不一致，從而導(dǎo)致各區(qū)域LED發(fā)光顏色產(chǎn)生差別，出現(xiàn)較為明顯的空間顏色不均勻現(xiàn)象［1］。這種現(xiàn)象會嚴重影響照明效果，對室內(nèi)照明的影響尤為嚴重，因此對LED燈具空間顏色不均勻性的表征和測量是十分必要的［2］。隨著LED的發(fā)展逐步由室外照明進入室內(nèi)照明并進入應(yīng)用領(lǐng)域，美國能源之星標準IES LM79－2008［3］以及中國國家標準GB／T 24824－2009［4］都對LED的相關(guān)色溫及色品坐標的空間分布提出了具體要求，因此研究開發(fā)一種小型分布式光度和色度測量專用檢測儀器很有必要，可以快速同步測量出LED光源的光度和色度空間分布情況。

1 測量原理

傳統(tǒng)的臥式分布光度計，在測試燈具或光源的（空間）光強分布和總光通量中應(yīng)用非常廣泛，該系統(tǒng)采用光度探頭保持不動，被測光源或燈具則繞自身的光度中心自轉(zhuǎn)，在發(fā)射光達到整個角度區(qū)域內(nèi)選擇合適的角度間隔進行測量，如圖1所示。文中小型分布式光色度計的色度分布測量是在原有分布光度計上安裝色度測量裝置，把光度色度探頭進行集成，替換原有的光度探頭，以實現(xiàn)同步測量光強分布和色度分布功能。

圖1 選擇合適的角度進行測量的幾何圖Fig.1 Geometric figure of measurement with proper angle

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 小型雙軸精密控制結(jié)構(gòu)

該控制結(jié)構(gòu)由電機驅(qū)動垂直軸旋轉(zhuǎn)，小型燈具安裝在垂直軸線和水平軸線的交點，因此需要設(shè)置兩個方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，并使該轉(zhuǎn)臺的垂直軸線固定，水平軸線可以移動，探測器被固定在離燈具一定距離的位置上，如圖2所示。由電機驅(qū)動垂直軸旋轉(zhuǎn)，光探頭測量燈具在水平面上各方向的發(fā)光強度或照度值，由此可以獲得燈具在此平面上的發(fā)光強度或照度的分布曲線。當(dāng)一個平面測量完畢，由電機驅(qū)動水平軸使燈具轉(zhuǎn)過一個設(shè)定的角度，然后再測量當(dāng)前平面上的發(fā)光強度或照度值并獲得分布曲線。因此，隨著燈具水平軸的間歇運動和垂直軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)，最終可以實現(xiàn)燈具在各個方向上的發(fā)光強度或照度的分布特性的測量。在圖2和圖3所采用的旋轉(zhuǎn)燈具測試方案中，水平軸由雙柱支撐，燈具可以在B平面（或A平面）上測量。

A平面是由一組平面組成，這一組平面的相交線經(jīng)過光度測量中心，平行于反光面，并垂直于光源的假設(shè)軸線。如圖3所示。

圖2 測試方案Fig.2 Measurement solution

圖3 A平面Fig.3 A plane

B平面是由一組平面組成，這一組平面的相交線經(jīng)過光度測量中心，而且平行于光源的假設(shè)軸線，垂直于B平面的交叉線。如圖4所示。

測量系統(tǒng)中采用三刺激值的色度傳感器取代光度傳感器，測量系統(tǒng)的工作過程為：將光源固定在轉(zhuǎn)臺上，其中心與轉(zhuǎn)臺的水平、垂直兩驅(qū)動軸的交匯點重合。當(dāng)轉(zhuǎn)臺帶著光源繞垂直軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動時，其LED光源信號由色度傳感器接收，經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由微處理機系統(tǒng)經(jīng)USB送入計算機進行數(shù)據(jù)的計算分析并繪圖。因此其光學(xué)參數(shù)、數(shù)據(jù)分析處理等模塊都在計算機的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，進行同步的測量、數(shù)據(jù)傳輸及外圍設(shè)備控制，極大地提高了測試的速度。其測試系統(tǒng)如圖5所示。

用絕對法測量光源的總光通量、光強分布、色度分布，對LED光源的位置要求非常嚴格。因為再精密的分布式光度色度測量系統(tǒng)，都是基于被測光源按照既定的光線入射方向進行設(shè)計的，假設(shè)被測燈具位置安裝不到位，必然導(dǎo)致實際光線的入射方向偏離設(shè)定的光線入射方向，這必然導(dǎo)致最后的測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。因此光源位置對整個測試系統(tǒng)及實驗結(jié)果有較大的影響，必須確保幾何光學(xué)光路與實際光學(xué)光路一致。在測試系統(tǒng)中采用激光定位技術(shù)確保光路的準直特性。

圖4 B平面Fig.4 B plane

圖5 分布式光色度計測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of distributed photometer and colorimeter test system

2.2 集成光度、色度多探頭的探測器件

測試系統(tǒng)的傳感器采用基于三刺激值的色度探測器件，并放置在光信號接收位置。色度傳感器中的Y傳感器可以實現(xiàn)常規(guī)分布式光度計中發(fā)光強度測量，色度傳感器實現(xiàn)對光源色品坐標及相關(guān)色溫的測量。在測試過程中，由于光電探測器的光譜靈敏度、暗電流均受環(huán)境溫度的影響，因此探測器采用溫控光電探測系統(tǒng)。圖6為光度色度傳感器。

2.3 集成軟件設(shè)計

圖6 光度色度傳感器Fig.6 Photometric and chromaticity detector

分布式光色度計同時測量LED光源的光度和色度信號，系統(tǒng)軟件不但可以顯示光強分布曲線和照度曲線，而且可計算和顯示被測LED光源的色品坐標和相關(guān)色溫的分布特性，因此其直觀的光度和色度特性有利于用戶對LED光源的分析及分揀。LED光源的x坐標空間分布如圖7所示，y坐標空間分布如圖8所示，相關(guān)色溫空間分布如圖9所示，發(fā)光強度數(shù)據(jù)極坐標圖如圖10所示，照度數(shù)據(jù)平面坐標圖如圖11所示。

圖7 x坐標空間分布Fig.7 xcoordinate spatial distribution

圖8 y坐標空間分布Fig.8 ycoordinate spatial distribution

圖9 相關(guān)色溫空間分布Fig.9 Correlated color temperature spatial distribution

圖10 發(fā)光強度數(shù)據(jù)極坐標圖Fig.10 Polar coordinate of luminous intensity data

3 結(jié) 論

與一般分布式光度計相比，小型分布式光色度計具有以下優(yōu)點：

（1）針對小型低功率LED光源的設(shè)計，被測樣品可以從單顆LED封裝到LED模塊，以及小型LED燈具都可進行測量，所需測試空間小，基本型配置的光路距離約為3m，成本相對降低，測試硬件要求簡單，非常適合企業(yè)使用。

（2）有效集成光度和色度探頭，并保持集成探頭與原光度探頭大小一致，實現(xiàn)分布光度和分布色度數(shù)據(jù)的同時并行測量，有效提高測試效率。

（3）光度探測器的V（λ）匹配精度：f′1優(yōu)于3%，光度測量范圍在0.1～20000lx，可以測試照度較小的光源；且精度達到±4%；色品坐標精度優(yōu)于±0.02。

（4）測試裝置中避免了使用反射鏡面，可以消除一般分布式光度計由于鏡面偏振引入的測量誤差，尤其適合有偏振性的燈具和光源的測量要求。

圖11 照度數(shù)據(jù)平面坐標圖Fig.11 Plane coordinate of illuminance data

［1］宋國華，繆建文，施建珍，等.一種提高白光LED相關(guān)色溫分布均勻性的方法［J］.光電子 激光，2010，21（7）：983－987.

［2］潘建根，李 倩.LED燈具性能的表征與測量問題探討［C］∥海峽兩岸第十六屆照明科技與營銷研討會.北京：中國照明學(xué)會，2009：89－95.

［3］llluminating Engineering Society.LM79－2008Electrical and photometric measurements of solid－state lights products［S］.New York：Illuminating Engineering Society，2008.

［4］中國輕工業(yè)聯(lián)合會.GB／T 24824－2009普通照明用LED模塊測試方法［S］.北京：中國標準出版社，2010.