位置和角度對積分球測量LED 成品燈的影響

田增國，邱躍龍，楊海彬，李宇翔，吳 晗

(1.鄭州大學 物理工程學院，鄭州 450001;2.國家建筑裝修材料質量監督檢驗中心，鄭州 450014)

0 引言

光源的研發已成為全球的焦點，各國政府對LED產品的各項標準不斷提高，對LED 產品檢測提出更高要求，各類產品質量監督、第三方檢測和專業認證機構以及企業自身對檢測設備產生新的需求。

對于LED 及其成品燈的光色特性測量，仍沒有統一的測試方法，目前，大多采用積分球或分布光度計進行LED 的光學特性測量。分布光度計測試系統精度高，但價格十分昂貴，操作復雜，測量時間長，需要6～8 h，無法滿足中小企業實際生產測試需求。用積分球測試系統精度較低，但價格便宜，易操作，測量速度快，單次測量只需30 min 左右，然而由于沒有專用的LED 標準光源，測量結果可信度較低。

為此，我們采用積分球測試系統通過放在積分球不同位置、朝向不同角度對LED/COB 天花燈進行光、色特性測試，然后使用精度高的分布光度計對同一個LED/COB天花燈的相關光、色參數進行測試，進而研究分析用積分球對LED 成品燈的測試方法和誤差的補償。

1 LED 的光學特性與位置關系

傳統封裝的LED 一般為圓形或圓柱形，其發光角度為5°～90°。而且LED 光源的光強分布不均勻，即在法線方向上的光強最大。隨著發光方向與法線方向的角度增加，其光強是一個近似的朗伯光源，而且它的發光面積也比較小，即LED 的光分布在某一個方向上時亮度最大，此時光是垂直于LED 發光面的，即與軸線方向為零度角，隨著角度的增大亮度會減小，如圖1 和圖2 所示。

圖1 LED 出射光線的出射角度

圖2 發光強度與空間角度的關系

2 積分球測量原理

積分球測試系統通過相對法測量LED 光源的光通量、光譜分布和色度。用于待測LED 同類型的標準光源校正積分球光度計和光譜輻射計，以得到較好的測量不確定度。本次測試采用專為LED 定標的窄光束角D65 標準光源。

采用積分球測試法，放置在積分球內光源、擋屏、支架等物體會改變球內的光分布，形成自吸收效應。燈處在不同的位置或角度時，球內的光分布也不相同。測試時，通常將光源置于積分球的中心位置，并處于如圖3 所示測試狀態。

通過布設在積分球探測窗口的光度計和光譜輻射計，分別測量光源的光通量和平均光譜功率分布，根據測量結果計算光譜修正因子并修正光度計測量值，光譜修正因子計算

圖3 LED 光源置于積分球中間向下

式中:V(λ)為已知CIE 標準光譜光效率函數;s(λ)rel為光度計的已知相對光譜靈敏度;P(λ)s用于校準光度計標準光源的已知相對光譜功率分布;P(λ)t為光譜輻射計所測得的待測光源相對光譜功率分布;τ(λ)為積分球涂層的光譜等效透過率，可以通過式(2)計算得到

式中:ρ(λ)為積分球涂層的光譜反射率;k為常數。

在積分球測試系統中，LED 光源光通量Φ測的測量如式(3)

式中:Φ參比，P參比(λ)分別為LED 標準光源的光通量和相對光譜功率分布;V(λ)為光譜光視效率;P參比(λ)為待測LED 光源的相對光譜功率分布。

對于光源，假設其發射光譜為P(λ)，則人眼的刺激值響應如式(4)所示。

只要測得被測對象的相對光譜功率分布就可以計算出其色品坐標、相關色溫和顯色指數。對于式(4)中k 值進行標定，計算出Y 值即可測得其光通量、照度、亮度等光度學參數。

3 分布光度計測量原理

在足夠多的發光平面上，以足夠小的角度間隔測量以分布光度計的光度探測器到被測LED 光源發光中心之間的測量距離為半徑的虛擬球面上的各點照度。平面間角度間隔一般為5°，平面內的角度間隔一般為1°，當被測LED 模塊尺寸較大或光束角較窄時，應采用更小的平面間隔和角度步長，以保證照度分布的取樣完整性。

用數值積分的方式計算出LED 模塊的總光通量Φtot如式(5)所示。

式中:r為虛擬球面的半徑;Stot為虛擬球上的表面面積;(ε，η)為空間角，如圖4 所示。

圖4 分布光度計測試原理

分布光度計的光強測量一般通過照度平方反比公式計算得到

式中:I(ε，η)為(ε，η)方向上光源的發光強度，單位為cd;d為測量距離，單位為m;(ε，η)為空間角度;E(ε，η)為空間(ε，η)方向上到光源距離為d 的測量點照度。

4 實驗及結果分析

4.1 積分球系統測量

用D204 標準光源對PMS-50 增強型積分球測試系統進行定標，將3 W COB 封裝的LED 天花燈放入積分球，利用恒流電源驅動，通過光譜分析儀記錄相應的參數，如圖5 所示。

圖5 PMS-50 增強型積分球測試系統

保持倍增管溫度在29±1 ℃，室溫穩定在25±1 ℃，燈溫穩定在30±1 ℃。

4.1.1 放置不同角度

以LED 燈朝向擋板為前，分別在LED 等朝向前、后、左、右、上、下的情況下進行光色學特性測量，如圖6 所示，分別測量5 次求其平均值，如表1 所示。

圖6 LED 按照不同角度放置

表1 LED 按照不同角度放置的測量結果

(1)光通量。當COB 天花燈朝向前放置時，雖然探測器由擋板擋著，但仍有部分光直射到探測器上，因而測量值最大為235.62 lm;而當COB 天花燈朝后時，光線經過漫反射照射到探測器上，測量值最小為219.38 lm，極值相差16.24 lm。

(2)色溫。色溫和色度坐標有關，色溫值升高，顏色變冷。LED 燈朝前時色溫測量值最大為6 661.4 K，向上測量值為6 268.2 K，向下測量值為6 219.2 K，其他情況下與向下測量值相差不超過1%。

(3)顯色性Ra。光譜決定了顯色性，各波段光譜連續且豐富時，顯色性較好;部分波段光波缺失或較少時，顯色性較差。COB 天花燈朝向前時顯色性最大為85.18，朝向后時顯色性最小為83.94，極值相差1.24。

(4)光效。光效在不同角度下測量值的分布變化和光通量是基本一致的。COB 天花燈朝前時的光效測量值最大，為82.28 lm/W;背向擋板時的光效測量值最小，為75.66 lm/W。極值差為6.62 lm/W。

(5)主波長。主波長反映了待測光源的光譜與標準光源體光譜的差距。COB 天花燈朝前時的主波長測量值最小為475.4 nm，其他情況下的測量結果與向下放置時的測量結果差距不大，向下放置時的測量值為479.68 nm。

4.1.2 放置位置不同時的測試

將COB 天花燈分別置于積分球底部、左部、后部、頂部、右部和中部時進行測量，如圖7 所示，每個位置測量5 次，取平均值如表2 所示。

圖7 LED 按照不同位置放置

表2 LED 按照不同位置放置的測量結果

(1)光通量。COB 天花燈放在積分球底部時直接照射到探測器的光最多，最大值為238.42 lm，而放在中間時直接照射到探測器的光最少，最小值為227.16 lm，極值差為11.26 lm，占中間測量值的5%。

(2)色溫。LED 放置在后部且朝向擋板時的色溫測量值最大，為6 466.8 K，其次是放置在底部時的測量值，為6 332.2 K，放在中間時的測量值為6 224.6 K，其他情況下的測量值與放置在中間時的測量值相差不大。

(3)顯色指數。COB 天花燈在積分球后部時顯色指數最大為84.68，在積分球中心時顯色指數為83.98，其他位置時與中間測量值差別不大，極值相差0.7，占中間測量值的0.8%。

(4)光效。COB 天花燈在積分球底部時的光效測量值最大為79.47 lm/W，燈在中間時的光效測量值最小為75.72 lm/W，極值差為3.75 lm/W，占中間測量值的4.95%。光效測量值分布與光通量一致。

(5)主波長。放在后部時的主波長測量值最小，為477.06 nm，放在其他位置時的測量值差別不大。

COB 天花燈放在積分球后部時，距離探測器最遠，因此在光譜測試中與其他位置下的測量值差距較大。

4.2 分布光度計系統測量

本次檢測采用臥式分布光度計。其結構示意圖如圖8 所示。

圖8 測試系統組成示意圖

對3 W COB 封裝的LED 天花燈測得總光通量為194.24 lm，色度坐標x=0.315 5，y=0.315 0，u'=0.205 3，v'=0.461。色溫為6 452 K，主波長λ 為476.4 nm，色純度P=7.8%，紅色比R=15.8%，顯色指數Ra=85.3。

4.3 結果分析

(1)光通量。在控制單一變量的條件下，對于3 W COB 封裝LED 天花燈光通量，分布光度計測量結果為194.24 lm。用積分球測試系統進行測試時，光通量測量值為227.16 lm，是分布光度計系統測試結果的116.94%。

(2)顯色指數。分布光度計測試系統的顯色指數Ra 為85.3。用積分球測試時顯色指數為83.98，是分布光度計系統測試結果的98.45%，測試結果差別不大。

(3)色溫。分布光度計測試系統的測試色溫為6 452 K，用積分球測試的測量值為6 219.2 K。

(4)主波長。分布光度計測試系統的測試值為476.4 nm，用積分球測試的測量值為479.74 nm。測試結果如圖9 所示。

通過分析測試數據發現用積分球測試系統測試光通量的結果比分布光度計的測試結果偏高，但不同位置和角度下積分球測試系統的測試結果基本相同。與分布光度計的測試結果相比，積分球系統對不同位置和角度下色溫的測量值普遍較低，對主波長的測量值普遍較高，對顯色指數的測量值普遍較低。將測量差值按照百分比進行衡量，差值與分布光度計相比，只有積分球對光通量的正常測試值與分布光度計測試值為16.94%，其他光色參數的測量差值均未超過5%。

圖9 積分球測試結果與分布光度計測試結果對比

5 小 結

測試結果表明，對于LED 光源，由于其自身發光的不均勻性，其空間光度和色度參數是不同的，積分球測試系統對3 W COB 的LED 天花燈測量結果與分布光度計測試系統測量結果對比分析，存在一定的差距，但差距不大。

針對積分球測量速度快、易操作、價格便宜的特點，建議LED 成品燈的測量采用積分球測試系統，將其放置在積分球中心向下位置，對不同的測量參數進行相應的補償。

［1］遠方光電.光電信息檢測龍頭有望再次閃耀［J］.股市動態分析，2014(38):63～63

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