楊靈華，王文杰，陳佩聰，樊榮濤

(東莞華明燈具有限公司，東莞 523653)

LED燈具在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊靈華，王文杰，陳佩聰，樊榮濤

(東莞華明燈具有限公司，東莞 523653)

色差問(wèn)題在LED照明行業(yè)一直存在，如何科學(xué)合理地解決色差檢測(cè)問(wèn)題，是考驗(yàn)燈具企業(yè)品質(zhì)控制能力的一大難題。本文研究了一種LED燈具在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)LED燈具成品的光學(xué)和電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)收集和分析，制定了一套科學(xué)可行的內(nèi)部檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)光色差異對(duì)LED燈具進(jìn)行快速分類(lèi)。

LED燈具；在線檢測(cè)；分選

引言

隨著LED照明行業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)照明產(chǎn)品品質(zhì)要求越來(lái)越高。在大批量的燈具應(yīng)用場(chǎng)合，LED的光色不一致不僅會(huì)給客戶(hù)帶來(lái)困擾，也會(huì)影響燈具生產(chǎn)廠商的聲譽(yù)。LED的光色一致性問(wèn)題一直是LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)阻礙，造成此問(wèn)題的原因很多，可以追溯到LED產(chǎn)業(yè)鏈上游的材料外延生長(zhǎng)、中游的芯片制造,再到下游的芯片封裝，產(chǎn)業(yè)鏈過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致LED產(chǎn)品光色一致性的控制難度加大。LED照明處于整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)鏈的下游，是直接與客戶(hù)連接的輸出口，因此如何在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)燈具光色一致性進(jìn)行控制，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分檔，就顯得十分有必要。

現(xiàn)在一般LED燈具企業(yè)主要還是采用人眼目視的方法進(jìn)行控制和分檔，這種方法的缺陷是主觀性太強(qiáng)，由于個(gè)體之間會(huì)存在視覺(jué)敏銳度的差異，對(duì)于同樣的LED燈具出光，不同的個(gè)體會(huì)有不同的觀感，而且同樣的個(gè)體在不同的狀態(tài)下也會(huì)做出不同的判斷。

眾所周知，光色是可以測(cè)量的，使用顏色指標(biāo)評(píng)定產(chǎn)品的質(zhì)量更具客觀性和科學(xué)性，可以穩(wěn)定的把控每批燈具的出光品質(zhì)。目前已經(jīng)有燈具廠商開(kāi)始采用實(shí)驗(yàn)室抽檢的方式對(duì)燈具的光色一致性進(jìn)行控制，雖然能夠準(zhǔn)確的得到燈具的光學(xué)數(shù)據(jù)，但是實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)效率較低，無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)線高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，還需要耗費(fèi)較多的人工成本和流轉(zhuǎn)成本，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)出廠產(chǎn)品的全檢和分選。因此，開(kāi)發(fā)一種穩(wěn)定可靠的LED燈具在線檢測(cè)系統(tǒng)，解決如上所述的LED燈具的光色一致性問(wèn)題，不僅可以對(duì)LED燈具的光色品質(zhì)進(jìn)行量化，同時(shí)制定一套可行的分類(lèi)判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)出貨的LED成品燈具，工廠端能實(shí)現(xiàn)高效、快捷的品質(zhì)追溯，提升品質(zhì)控制能力。

1 在線檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

一套完善的LED燈具在線測(cè)試系統(tǒng)必須要解決測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確和檢測(cè)快速的問(wèn)題，同時(shí)還要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速分檔，滿(mǎn)足產(chǎn)品分選的需求。

考慮到生產(chǎn)車(chē)間的安裝問(wèn)題，設(shè)計(jì)LED燈具在線檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)要充分考慮積分球的體積大小、電氣設(shè)備的集成以及整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)流程控制，此外，工裝夾具的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也是需要考慮的問(wèn)題。本文研究的LED燈具在線測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。該在線測(cè)試系統(tǒng)包括光電測(cè)試設(shè)備和測(cè)試軟件兩部分。

圖1 LED燈具在線測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 LED lamp online detection system

1.1 光電測(cè)試設(shè)備

光電測(cè)試設(shè)備主要由精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、光譜分析儀、DPS智能交流測(cè)試電源以及安裝在外部的積分球組成。使用光譜分析儀和積分球?qū)ι珳?、色坐?biāo)和顯示指數(shù)等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)校準(zhǔn)后，其色品坐標(biāo)(x,y)測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.003，色坐標(biāo)重復(fù)性為±0.000 3，其余光參數(shù)精度為±0.2%。同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)得出相關(guān)的電學(xué)參數(shù)。雖然測(cè)量時(shí)間短，但這套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)LED的瞬態(tài)光學(xué)特性測(cè)量(脈沖測(cè)量)及穩(wěn)態(tài)光學(xué)特性測(cè)量(直流測(cè)量)，完全滿(mǎn)足IESNA LM-79和GB/T 24824等標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 測(cè)試軟件

該套系統(tǒng)可程控電壓，在軟件界面可根據(jù)需要輸入對(duì)應(yīng)的電壓、頻率。為便于將產(chǎn)品進(jìn)行分檔，對(duì)燈具出光坐標(biāo)范圍進(jìn)行設(shè)定，現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)對(duì)燈具出光最多可分3類(lèi)，圖2中四個(gè)指示燈分別代表A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)以及不合格。軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，會(huì)有對(duì)應(yīng)顏色的指示燈亮，測(cè)試員只需依照指示燈提示對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分檔即可。

圖2 LED燈具分類(lèi)指示燈Fig.2 Classify pilot light of LED lamp

2 在線測(cè)試系統(tǒng)評(píng)估方法

實(shí)現(xiàn)LED燈具的在線測(cè)試，必須滿(mǎn)足在對(duì)LED燈具能實(shí)現(xiàn)送樣、通電、測(cè)試以及取樣等步驟的快速操作。為滿(mǎn)足上述要求，夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。測(cè)試過(guò)程中，將燈具固定在可移動(dòng)的測(cè)試平臺(tái)上，接好輸入線后，啟動(dòng)電動(dòng)氣壓裝置，將LED燈具推入積分球內(nèi)，在線測(cè)試系統(tǒng)燈具在積分球中的測(cè)試位置如圖3(a)所示。到達(dá)測(cè)試位置后，燈具光色穩(wěn)定一段時(shí)間后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試，光電測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存并進(jìn)行分析處理，相應(yīng)的指示燈亮。測(cè)試完成后，夾具自動(dòng)退出積分球，取下燈具按照指示燈進(jìn)行分類(lèi)，即可進(jìn)行下一輪測(cè)試。

圖3 測(cè)試燈具安裝示意圖Fig.3 Install sketch of LED lamp

積分球的開(kāi)口尺寸約為300 mm×400 mm，小于此尺寸的燈具，可采用如圖3(a)所示的夾具系統(tǒng)。大于該尺寸的燈具，則采用如圖3(b)所示的安裝方式。由于燈具的尺寸大于積分球的開(kāi)口，無(wú)法將其直接送入到積分球的內(nèi)部，只需將其固定在工作臺(tái)上，外部使用黑色幕布將其封閉，避免了測(cè)試儀器外部周?chē)碾s色的干擾。燈具的出光方向?qū)?zhǔn)積分球的開(kāi)口，逸出的光被黑色幕布吸收，此種安裝方式不可避免會(huì)對(duì)LED燈具的總光通量造成損失，因此大尺寸的燈具在測(cè)試結(jié)果分析時(shí)可以不用考慮總光通量這一項(xiàng)參數(shù)。

為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試溫度應(yīng)盡量滿(mǎn)足25 ℃±1 ℃，相對(duì)濕度應(yīng)小于65%，在無(wú)對(duì)流風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行，測(cè)量時(shí)LED燈具周?chē)鸁o(wú)明顯的空氣流動(dòng)。

3 在線測(cè)試系統(tǒng)的驗(yàn)證與分檔標(biāo)準(zhǔn)確定

色容差是實(shí)測(cè)燈具坐標(biāo)值(x，y)偏離標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)目標(biāo)值的距離。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燈的色度坐標(biāo)(x，y)的初始讀數(shù)距離標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)應(yīng)在5SDCM之內(nèi)，即色容差≤5。ANSI 2011年推出 ANSI C78.377，以 8 個(gè)標(biāo)稱(chēng)CCT和100K間隔的可變 CCT的四邊形區(qū)域替代SDCM色差表示方法，并用于評(píng)價(jià)固態(tài)照明產(chǎn)品的色差范圍。

要根據(jù)光色參數(shù)對(duì)LED燈具的進(jìn)行分類(lèi)，首先需要制定一套可行的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。在LED燈具大批量的測(cè)試前，先對(duì)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)試，樣品色坐標(biāo)打靶測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖中的四邊形區(qū)域是LED光源廠商提供的色品坐標(biāo)允許范圍。我們可以看到，燈具的色品坐標(biāo)相對(duì)于LED光源供應(yīng)商提供的中心坐標(biāo)朝右下方偏移，這是由于廠商提供的規(guī)格書(shū)中的數(shù)據(jù)是基于冷態(tài)狀態(tài)下測(cè)試的數(shù)據(jù)，本文采用的是熱態(tài)測(cè)試，兩種測(cè)試結(jié)果本身是存在差異的，此外燈具受到光學(xué)器件和系統(tǒng)偏差的影響，在實(shí)際分類(lèi)的過(guò)程中，需要對(duì)四邊形區(qū)域進(jìn)行平移校正。

圖4 抽檢LED燈具打靶圖Fig.4 Target zome of sampling inspection

計(jì)算該批燈具色品坐標(biāo)x和y的平均值，得出該批燈具的平均坐標(biāo)(0.434 6，0.400 3)，即認(rèn)為是該批燈具的校正后的色品中心坐標(biāo)值，將原LED光源色品坐標(biāo)四邊形整體進(jìn)行平移，得出校正后的色品坐標(biāo)允許范圍為(0.428 1,0.400 6)、(0.440 3, 0.404 9)、(0.440 3,0.404 9)、(0.428 1，0.440 6)。

該在線測(cè)試系統(tǒng)最多可以將產(chǎn)品分為三檔，基于質(zhì)量控制成本的考慮，以及方便出貨產(chǎn)品質(zhì)量的追溯，將產(chǎn)品分為A、B兩類(lèi)。在本文中以按照色品坐標(biāo)上下分區(qū)為例。下半?yún)^(qū)色品坐標(biāo)允許范圍為(0.428 1,0.400 6)、(0.440 3,0.404 9)、(0.435 9,0.396 0)、(0.424 2,0.391 9)，落在此范圍內(nèi)的產(chǎn)品歸為A類(lèi)；上半?yún)^(qū)色品坐標(biāo)允許范圍為(0.432 2,0.409 6)、(0.444 9,0.414 1)、(0.440 3,0.404 9)、(0.428 1，0.440 6)，落在此范圍的產(chǎn)品歸為B類(lèi)；落在色品坐標(biāo)允許范圍外的產(chǎn)品則判定不合格。燈具的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)如圖5所示。

圖5 LED燈具分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)Fig.5 Classify standard of LED lamp

由于積分球的尺寸有限，因此積分球的開(kāi)口尺寸有限制，尺寸較大的燈具無(wú)法通過(guò)積分球開(kāi)口推入積分球內(nèi)部進(jìn)行測(cè)試。只能采用圖3(b)所示的測(cè)試方式，這種測(cè)試方法會(huì)對(duì)總光通量造成損失，燈具只有一部分光進(jìn)入積分球內(nèi)，這一部分進(jìn)入積分球的光，即為我們測(cè)試的“色樣”。

對(duì)大尺寸燈具的“色樣”測(cè)試結(jié)果如圖6所示，從圖中我們可以看到，燈具的色坐標(biāo)相對(duì)于光源的四邊形區(qū)域向左偏移。采用上述的同樣的方法計(jì)算出出燈具的色坐標(biāo)平均值，然后對(duì)四邊形區(qū)域進(jìn)行校正，并且制定分檔標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 尺寸燈具色品坐標(biāo)校正圖Fig.6 Chromaticness coordinate correction sheet of big LED lamp test result of integrating sphere

制定好分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)線上的某批次產(chǎn)品進(jìn)行抽檢，采用積分球內(nèi)部測(cè)試和外部抽取“色樣”兩種方式進(jìn)行測(cè)試，分析 “色樣”的的實(shí)驗(yàn)誤差。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1和圖7。

表1 積分球測(cè)試結(jié)果Table 1 Test result of integrating sphere

從表1中我們可以看出，兩種測(cè)試方式的測(cè)試結(jié)果存在輕微的偏差，色坐標(biāo)偏差ΔCx均小于0.001 2，ΔCy均小于0.001 8，對(duì)燈具的分類(lèi)結(jié)果不造成影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7顯示，無(wú)論是哪種測(cè)試方法，同一個(gè)燈具都得到相同的判定結(jié)果。并且對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分檔的目的是將光色相差較大的燈具區(qū)別歸類(lèi)，因此，分檔測(cè)試不要求測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)正確，只需將色坐標(biāo)相對(duì)較大的燈具分類(lèi)出來(lái)即可。

圖7 積分球內(nèi)外部測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of test in and out integrating sphere

該在線測(cè)試系統(tǒng)與企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，通過(guò)記錄每批次產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，收集足夠多的數(shù)據(jù)，針對(duì)市場(chǎng)的接受程度，建立內(nèi)部燈具的可接受色容差的判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)每批次產(chǎn)品使用特定的條形碼進(jìn)行標(biāo)記，結(jié)合企業(yè)供應(yīng)鏈綜合管理，可以快捷高效的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的追溯，提升品質(zhì)控制能力。

4 結(jié)論與展望

色差問(wèn)題在LED照明行業(yè)一直存在，如果不能解決色差檢測(cè)問(wèn)題，高品質(zhì)LED燈具照明就無(wú)從談起。本文研究了一種LED燈具在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)收集和分析，制定了一套可行的內(nèi)部檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)光色差異對(duì)LED燈具進(jìn)行快速分類(lèi)，并且可以快捷的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行追溯，這套在線測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法對(duì)LED照明行業(yè)有著重要的積極作用。

[1] 顏色的表示方法: GB/T 3977—2008[S].

[2] 荊其誠(chéng)，焦書(shū)蘭，喻柏林，等．色度學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社，1979.

Study and Application of Online Detection System for LED Lamp

YANG Linghua, WANG Wenjie, CHEN Peicong,FAN Rongtao

(WACLIGHTING(DONGGUAN),CO．Ltd，Dongguan523653,China)

Color difference is an inevitable issue in LED lamp industry, how to properly detect the color difference is also a difficult problem for LED lamp manufacturer’s quality control. In this study, we proposed a realizable LED lamp online detection system to test chromatic and electronic parameters and made a practicable inner detection standard by gathering and analyzing the test data, the LED lamp can be rapid classified base on color difference by using this system.

LED lamp; online detection;classify

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.022