一种小型分布式光色度计的设计＊

蔡 怡，朱腾飞，张 俊，毛滋春

（1.杭州市质量技术监督检测院，浙江 杭州 310019；2.杭州新叶光电工程技术有限公司，浙江 杭州 310013）

引 言

作为固体光源的发光二极管（light emitting diode，LED），真正点燃了“绿色照明”的光辉，被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。

目前一般用于LED照明产品的是大功率白光LED，其主要是利用蓝色LED芯片和黄色荧光粉光转换，即直接在芯片表面涂覆荧光粉和硅胶混合体，由于涂覆的荧光粉粉层厚度很难控制，所以出现出射光空间颜色分布不均匀现象，即在不同的方向上的发光颜色不相同。LED灯具一般由多颗LED组成，荧光粉紧贴芯片发热源，温升导致荧光粉性能劣化，灯具散热不均匀也会使得各区域温度不一致，从而导致各区域LED发光颜色产生差别，出现较为明显的空间颜色不均匀现象［1］。这种现象会严重影响照明效果，对室内照明的影响尤为严重，因此对LED灯具空间颜色不均匀性的表征和测量是十分必要的［2］。随着LED的发展逐步由室外照明进入室内照明并进入应用领域，美国能源之星标准IES LM79－2008［3］以及中国国家标准GB／T 24824－2009［4］都对LED的相关色温及色品坐标的空间分布提出了具体要求，因此研究开发一种小型分布式光度和色度测量专用检测仪器很有必要，可以快速同步测量出LED光源的光度和色度空间分布情况。

1 测量原理

传统的卧式分布光度计，在测试灯具或光源的（空间）光强分布和总光通量中应用非常广泛，该系统采用光度探头保持不动，被测光源或灯具则绕自身的光度中心自转，在发射光达到整个角度区域内选择合适的角度间隔进行测量，如图1所示。文中小型分布式光色度计的色度分布测量是在原有分布光度计上安装色度测量装置，把光度色度探头进行集成，替换原有的光度探头，以实现同步测量光强分布和色度分布功能。

图1 选择合适的角度进行测量的几何图Fig.1 Geometric figure of measurement with proper angle

2 系统设计

2.1 小型双轴精密控制结构

该控制结构由电机驱动垂直轴旋转，小型灯具安装在垂直轴线和水平轴线的交点，因此需要设置两个方向旋转的转台，并使该转台的垂直轴线固定，水平轴线可以移动，探测器被固定在离灯具一定距离的位置上，如图2所示。由电机驱动垂直轴旋转，光探头测量灯具在水平面上各方向的发光强度或照度值，由此可以获得灯具在此平面上的发光强度或照度的分布曲线。当一个平面测量完毕，由电机驱动水平轴使灯具转过一个设定的角度，然后再测量当前平面上的发光强度或照度值并获得分布曲线。因此，随着灯具水平轴的间歇运动和垂直轴往复旋转，最终可以实现灯具在各个方向上的发光强度或照度的分布特性的测量。在图2和图3所采用的旋转灯具测试方案中，水平轴由双柱支撑，灯具可以在B平面（或A平面）上测量。

A平面是由一组平面组成，这一组平面的相交线经过光度测量中心，平行于反光面，并垂直于光源的假设轴线。如图3所示。

图2 测试方案Fig.2 Measurement solution

图3 A平面Fig.3 A plane

B平面是由一组平面组成，这一组平面的相交线经过光度测量中心，而且平行于光源的假设轴线，垂直于B平面的交叉线。如图4所示。

测量系统中采用三刺激值的色度传感器取代光度传感器，测量系统的工作过程为：将光源固定在转台上，其中心与转台的水平、垂直两驱动轴的交汇点重合。当转台带着光源绕垂直轴在水平面内转动时，其LED光源信号由色度传感器接收，经放大和模数转换后，由微处理机系统经USB送入计算机进行数据的计算分析并绘图。因此其光学参数、数据分析处理等模块都在计算机的统一协调下，进行同步的测量、数据传输及外围设备控制，极大地提高了测试的速度。其测试系统如图5所示。

用绝对法测量光源的总光通量、光强分布、色度分布，对LED光源的位置要求非常严格。因为再精密的分布式光度色度测量系统，都是基于被测光源按照既定的光线入射方向进行设计的，假设被测灯具位置安装不到位，必然导致实际光线的入射方向偏离设定的光线入射方向，这必然导致最后的测试数据产生偏差。因此光源位置对整个测试系统及实验结果有较大的影响，必须确保几何光学光路与实际光学光路一致。在测试系统中采用激光定位技术确保光路的准直特性。

图4 B平面Fig.4 B plane

图5 分布式光色度计测试系统结构图Fig.5 Structure diagram of distributed photometer and colorimeter test system

2.2 集成光度、色度多探头的探测器件

测试系统的传感器采用基于三刺激值的色度探测器件，并放置在光信号接收位置。色度传感器中的Y传感器可以实现常规分布式光度计中发光强度测量，色度传感器实现对光源色品坐标及相关色温的测量。在测试过程中，由于光电探测器的光谱灵敏度、暗电流均受环境温度的影响，因此探测器采用温控光电探测系统。图6为光度色度传感器。

2.3 集成软件设计

图6 光度色度传感器Fig.6 Photometric and chromaticity detector

分布式光色度计同时测量LED光源的光度和色度信号，系统软件不但可以显示光强分布曲线和照度曲线，而且可计算和显示被测LED光源的色品坐标和相关色温的分布特性，因此其直观的光度和色度特性有利于用户对LED光源的分析及分拣。LED光源的x坐标空间分布如图7所示，y坐标空间分布如图8所示，相关色温空间分布如图9所示，发光强度数据极坐标图如图10所示，照度数据平面坐标图如图11所示。

图7 x坐标空间分布Fig.7 xcoordinate spatial distribution

图8 y坐标空间分布Fig.8 ycoordinate spatial distribution

图9 相关色温空间分布Fig.9 Correlated color temperature spatial distribution

图10 发光强度数据极坐标图Fig.10 Polar coordinate of luminous intensity data

3 结 论

与一般分布式光度计相比，小型分布式光色度计具有以下优点：

（1）针对小型低功率LED光源的设计，被测样品可以从单颗LED封装到LED模块，以及小型LED灯具都可进行测量，所需测试空间小，基本型配置的光路距离约为3m，成本相对降低，测试硬件要求简单，非常适合企业使用。

（2）有效集成光度和色度探头，并保持集成探头与原光度探头大小一致，实现分布光度和分布色度数据的同时并行测量，有效提高测试效率。

（3）光度探测器的V（λ）匹配精度：f′1优于3%，光度测量范围在0.1～20000lx，可以测试照度较小的光源；且精度达到±4%；色品坐标精度优于±0.02。

（4）测试装置中避免了使用反射镜面，可以消除一般分布式光度计由于镜面偏振引入的测量误差，尤其适合有偏振性的灯具和光源的测量要求。

图11 照度数据平面坐标图Fig.11 Plane coordinate of illuminance data

［1］宋国华，缪建文，施建珍，等.一种提高白光LED相关色温分布均匀性的方法［J］.光电子 激光，2010，21（7）：983－987.

［2］潘建根，李 倩.LED灯具性能的表征与测量问题探讨［C］∥海峡两岸第十六届照明科技与营销研讨会.北京：中国照明学会，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］中国轻工业联合会.GB／T 24824－2009普通照明用LED模块测试方法［S］.北京：中国标准出版社，2010.