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(xiàng)重要指標(biāo)，但傳統(tǒng)的空間色度測(cè)量技術(shù)光譜采集耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，因此研究一種快速精確測(cè)量LED空間色度和光度分布的技術(shù)顯得尤為重要?；趯?duì)測(cè)動(dòng)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(cè)量LED空間色度和光度的測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)較之傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)，在確保精度的基礎(chǔ)上，測(cè)量速度有較大提高，有效地提升了空間測(cè)量的效率。

關(guān)鍵詞： 發(fā)光二級(jí)管（LED）； 均勻性； 顏色分布； 光強(qiáng)分布； 快速測(cè)量

中圖分類號(hào)： 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(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)，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(duì)室內(nèi)照明的影響尤為嚴(yán)重，因此對(duì)LED燈具空間顏色不均勻性的表征和測(cè)量十分必要[3]。美國(guó)能源之星標(biāo)準(zhǔn)IES LM—79：2008[4]以及我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24824—2009[5]，都提出了對(duì)LED空間顏色分布的測(cè)量要求。LED照明產(chǎn)品空間光色均勻性的檢測(cè)技術(shù)研究成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。

空間光度測(cè)試技術(shù)已經(jīng)取得較為成熟的發(fā)展，然而空間光譜測(cè)試因起步較晚，在測(cè)試速度、測(cè)試精度上仍有待提高。目前空間光譜測(cè)試主要采用分布光度計(jì)搭配快速光譜輻射計(jì)的方案，其中分布光度計(jì)主要有中心旋轉(zhuǎn)反光鏡分布光度計(jì)、同步接收探測(cè)器分布光度計(jì)、臥式分布光度計(jì)等類型，但均存在一定的原理性缺陷，從而導(dǎo)致測(cè)試精度較低，光度測(cè)量誤差甚至超過(guò)10%。此外為了實(shí)現(xiàn)燈具穩(wěn)定控制，測(cè)試速度也不能太快，否則會(huì)影響效率?；谶@種現(xiàn)狀，本文研究了一種采用測(cè)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)LED空間光譜光度的快速準(zhǔn)確測(cè)量。

光學(xué)儀器第38卷

第6期蔡怡，等：一種快速測(cè)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(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)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(cè)器保持不動(dòng)，被測(cè)燈具圍繞兩個(gè)相互垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在發(fā)射光達(dá)到的整個(gè)角度區(qū)域內(nèi)選擇合適的角度間隔進(jìn)行測(cè)量的工作方式。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍能滿足0°～360°，轉(zhuǎn)角精度達(dá)到0.1°。每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸應(yīng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)高精度光度探測(cè)器和高精度快速光譜輻射計(jì)的集成，光度探測(cè)器用以精確測(cè)試燈的空間光度分布，光譜輻射計(jì)用以精確測(cè)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(cè)試精度。配合軟件系統(tǒng)，可以實(shí)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(cè)試。

2測(cè)量原理及方法

2.1顏色空間分布的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法

由于LED在物理上不能近似為點(diǎn)光源，即使在同一個(gè)出射方向上，由于照明距離的不同，顏色也會(huì)出現(xiàn)較大的差異，直至趨于一個(gè)穩(wěn)定的顏色。在不同出射方向上，顏色差異也較大。通過(guò)分布光譜輻射計(jì)可以直接測(cè)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(jì)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(duì)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(jì)算方法為

2.2空間光譜快速掃描方法

為解決測(cè)量LED空間顏色分布耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，可通過(guò)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)掃描方式，采用測(cè)動(dòng)一體同步掃描技術(shù)。

測(cè)量過(guò)程中，分布光譜輻射計(jì)以一定的速度連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在測(cè)量平面處不停止。在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)掃描過(guò)程中，在分布光譜輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)的每個(gè)信號(hào)積分間隔（SII）進(jìn)行一次測(cè)量。每個(gè)信號(hào)積分間隔的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間等于一次測(cè)量的積分時(shí)間。實(shí)際測(cè)量值即整個(gè)信號(hào)積分間隔段上的測(cè)量平均值。如圖2所示，對(duì)應(yīng)的采樣角位置在信號(hào)積分間隔的中央。在每?jī)蓚€(gè)連續(xù)的信號(hào)積分間隔之間設(shè)置一個(gè)操作間隔（OI）來(lái)獲取上一個(gè)信號(hào)積分間隔中的測(cè)量信號(hào)并決定下個(gè)信號(hào)積分間隔中的起始角測(cè)量位置。

測(cè)動(dòng)一體同步掃描技術(shù)大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采樣間隔主要取決于采樣信號(hào)變化很小處的角區(qū)域。對(duì)于信號(hào)變化很快的角區(qū)域，間隔將會(huì)更小。在采樣信號(hào)變化很大且信號(hào)很弱的情況下，應(yīng)降低分布光譜輻射計(jì)的轉(zhuǎn)速以確保精度。

連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)掃描方法測(cè)得的信號(hào)可以表達(dá)為

2.3采樣間隔判定算法

在空間光譜光度測(cè)量時(shí)間合理的前提下，結(jié)合LED實(shí)際空間光譜分布情況自動(dòng)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)LED空間光譜輻射測(cè)量的采樣間隔智能判定，從而實(shí)現(xiàn)空間光譜的高精度測(cè)量和信號(hào)恢復(fù)。實(shí)際上采樣間隔并不是越小越好，間隔太小會(huì)導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，間隔太大會(huì)降低測(cè)量精度，在選擇采樣間隔時(shí)應(yīng)綜合考慮測(cè)量信號(hào)的重構(gòu)和測(cè)量速度。

分布輻射計(jì)測(cè)量得到的信號(hào)是多維的。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的采樣間隔是根據(jù)每個(gè)波長(zhǎng)下的輻射強(qiáng)度或輻照度來(lái)確定的，在不同波長(zhǎng)下選擇的最小采樣間隔可認(rèn)為是測(cè)量的最佳采樣間隔。但波長(zhǎng)數(shù)目巨大，因此該方法使用不便，耗時(shí)較長(zhǎng)。將光譜信息轉(zhuǎn)化為一維信號(hào)[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(dòng)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(guò)連續(xù)掃描和對(duì)比測(cè)量平面C處的邊界條件來(lái)確定。轉(zhuǎn)動(dòng)速度、信號(hào)積分間隔和操作間隔都在每次掃描期間確定。具體判定過(guò)程如下。

1）通過(guò)分布輻射計(jì)測(cè)量相對(duì)輻射強(qiáng)度分布。

2）確定系統(tǒng)轉(zhuǎn)速ω（C），即最小信號(hào)積分間隔amin除以最小積分時(shí)間 tmin。初始的最小信號(hào)積分間隔根據(jù)測(cè)試源的特性人工設(shè)定。對(duì)于小光束角的光源應(yīng)設(shè)置較小的信號(hào)積分間隔。通過(guò)調(diào)整分布光譜輻射計(jì)的積分時(shí)間來(lái)獲取最小積分時(shí)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(duì)輻射強(qiáng)度分布估算測(cè)量平面C處的信號(hào)積分間隔。為了保證高信噪比和轉(zhuǎn)速恒定，信號(hào)越弱，積分時(shí)間應(yīng)越長(zhǎng)，且信號(hào)積分間隔不能小于最小信號(hào)積分間隔。操作間隔隨著采樣信號(hào)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(hào)分布，在每個(gè)測(cè)量平面C處需要先測(cè)量一次。不同角位置下的采樣積分間隔計(jì)算公式為

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先用一只LED燈作為測(cè)量樣品，采用連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)掃描方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量分析。圖5為L(zhǎng)ED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(duì)應(yīng)的積分時(shí)間先為50 ms，轉(zhuǎn)速ω（C）為10（°）/s。圖6列出了信號(hào)積分間隔和操作間隔的分布。圖7為真實(shí)信號(hào)g（C，γ^）和測(cè)量信號(hào)gm（C，γ^i）的曲線對(duì)比圖。圖8為真實(shí)信號(hào)和測(cè)量信號(hào)之間的相對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)可以得出，采用不同的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行空間色度和光度測(cè)量時(shí)，在空間色度的測(cè)量精度略有提高、空間光度的測(cè)量精度基本一致的前提下，空間色度測(cè)量速度提高了84%，空間光度的測(cè)量速度提高了61%。

用一只經(jīng)過(guò)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)燈作為測(cè)試樣品，比較新系統(tǒng)、臥式分布光度計(jì)GO2000A（配套高精度光譜輻射計(jì)HAAS2000）的測(cè)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(cè)量時(shí)光譜采集耗時(shí)長(zhǎng)、測(cè)量精度低的現(xiàn)狀，采取測(cè)動(dòng)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(hào)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(cè)樣品實(shí)際空間光譜分布情況和測(cè)量噪聲自動(dòng)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)采樣間距的精準(zhǔn)智能判斷。通過(guò)綜合的空間顏色分布檢測(cè)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(píng)價(jià)測(cè)試體系，同時(shí)可為L(zhǎng)ED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(píng)價(jià)依據(jù)，有利于對(duì)半導(dǎo)體照明燈具的性能進(jìn)行統(tǒng)一檢測(cè)與評(píng)估，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)健康良性發(fā)展，為我國(guó)進(jìn)一步參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化制定提供參考。

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