车用不同光束角灯具的光通量测试技术探讨

李海涛，王永春，康 乐

（中检西部检测有限公司,陕西 西安 710032）

测试照明灯具光度和颜色参数的方法有相对法测试和绝对法测试两种。相对法测试使用积分球测试系统完成，绝对法测试使用分布光度计 （测角光度计）测试系统完成。两种设备的测试原理不同，对实验条件和设备要求也不相同［1-3］。

积分球进行测试时，要求积分的内表面为一个完整的几何球面且内表面半径处处相等，球内壁是中性均匀的漫反射面，在可见光范围内对各种波长的光有相同的漫反射率，球内没有任何物体，测试中，内表面各点的照度相等［4］。系统定标用4π面发光的灯丝灯泡完成，而被测灯具光度分布类型及外形尺寸种类繁多，当灯具形状尺寸不同于标准灯的，必进行自吸收系数校正。对于被测灯光度分布不同于标准灯，目前没有相关的修正措施。

分布光度计进行测量时，要求分布光度计的光度探测器到灯具光度中心的距离不应小于灯具出光口面最大尺寸的15倍，对于窄光束灯具15倍测试距离也是不够的。在整个测试空间内无杂散光干涉，杂散光包括非分布光度计反射镜反射后进入光度探测器的光，以及外界光源产生并进入光度探测器的光［5］。总光通量通过环带光通量叠加得到，测试结果容易受到测试角度间隔的影响，尤其是窄光束灯具，因为窄光束灯具光强分区曲线陡峭。

研究分布光度计和积分球系统测试光通量的方法，用12只样品进行实验，它们的光束角分别是10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°和120°，样品的编号分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#和12#。光束角定义为经过灯具光束轴线的发光平面的两条给定直线之间的夹角，这两条直线分别通过灯的正面中心和发光强度为中心光强50%的发光点。为了避免线路功率损耗，所选灯具都是直流供电，通过额定电流点亮灯具。

1 分布光度计测试光通量

实验采用立式分布光度计进行，系统通过十字激光对准后，灯具的光度中心与分布光度计转台旋转中心重合，灯具光度中心距离光度探头的距离为2.50 m，满足分布光度计测试距离的要求。实验室环境温度为25.0℃，环境相对湿度为33.7%，实验室无杂散光忽略。灯具稳定时间为2 h，稳定期间每15 min测量一次光通量和电功率， 30 min内测得的各3个读数值的差异 （最大－最小）小于3个读数平均值的0.5%。达到稳定要求后进行光通量测试。分布光度计测试光通量在图1所示的虚拟球面对照度积分完成，测试系统是C-γ系统，分别改变C和γ的间隔进行实验。

按标准要求，分布光度计设备C平面选择的角度间隔分别是2.5°，5.0°、10.0°、15.0°和30.0°，γ选择的角度间隔分别为0.5°、1.0°和2.0°。表1为两款灯具在C平面测试间隔为5.0°情况下改变γ角度得到的光通量值。表2为γ为1.0°改变C测试角度间隔得到的光通量测试值。

图1 光通量计算原理示意图

理论上测试角度间隔越小测试数据越真实可靠，但是测试间隔越小耗费时间越长，设备也不可能达到无穷小测试间隔。从表1、表2可以看出测试结果受被测灯具光束角及测试角度间隔的影响，只有合理地选择测试角度间隔才能得到准确的光通量值，对光束角小于30°的灯具，C角度间隔不应大于5°，γ角度间隔不应大于1°；对光束角大于30°小于60°的灯具，C角度间隔不应大于10°，γ角度间隔不应大于1°；对光束角大于60°灯具，γ在2°范围内不会对测量结果造成影响，但是只要灯具光束角小于120°，C间隔就不能大于10°，否则会对测试结果产生影响。

2 积分球测试光通量

实验采用2 m恒温积分球进行，积分球内的温度控制在25.0℃，相对湿度为33.7%，灯具稳定时间为2 h，稳定期间每15 min测量一次光通量和电功率，30 min内测得的各3个读数值的差异 （最大-最小）小于3个读数平均值的0.5%。达到稳定要求后进行光通量测试。积分球的光度测试探头安装在积分球的侧面，定义平行于光度探头的轴为水平轴，光通量测试中，灯具光轴分别与水平轴的夹角为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，灯具安装在积分球的几何中心，具体测试方位如图2所示。为了避免灯具及安装方式对测试结果造成影响，每只灯在每个方向进行实验时都进行自吸收系数校正。表3为不同夹角测得的光通量。

从表3可以看出，光束角小于100°时，灯具的光通量受灯具安装角度的影响很大，积分球内表面的照度值不相等才会有测试数据的不一致性。原因在于积分球系统进行定标用的光通量标准灯是灯丝灯泡，是全空间发光型的灯具，在积分球内能形成均匀的照度。光线在积分球表面的漫反射遵守朗博 （Lambert）余弦定律，即任意方向上光强Iθ=I0cosθ，I0为入射点所在曲面法线方向上的光强，与光入射方向无关。

表1 C平面为5.0°的光通量lm

表2 γ为1.0°的光通量lm

表3 不同夹角测得的光通量lm

图2 不同发光方向的实验

积分球挡屏为防止光源或灯具发出光的直射，光束轴线与水平轴夹角为0°时，部分光线经过挡屏边缘在积分球内表面反射，反射光再经过挡屏反面反射后直接射向光度探头，造成光通量测试值偏高；光束轴线与水平轴夹角为30°时，首次反射进入光度探头的光强为I75=I0cos75°；光束轴线与水平轴夹角为60°时，首次反射进入光度探头的光强为I60=I0cos60°；光束轴线与水平轴夹角为90°时，首次反射进入光度探头的光强为I45=I0cos45°；所以会出现夹角由30°增加90°测试得到的光通量逐渐增加，在90°时光通量反而降低是因为部分反射光线被挡屏遮住。入射光与水平面夹角为120°、150°和180°时，第二次反射与水平轴线的夹角分别为60°、30°和0°，和首次反射有相同的原理，所以测试结果逐渐降低。

随着灯具光束角增大，在不同安装角度下光通量测试结果的差异逐渐减小，当光束角达到100°时，被测样品在积分球和分布光度计上测试的光通量值相等。

3 结论

灯具光度性能测试设备包括分布光度计系统和积分球系统，目前用的光通量标准灯发光面为4π，而被测灯具光度分布类型差异很大。由于分布光度计的光度探测器采集灯具直射的照度，光通量、光强等光度参数均间接计算得到，使用4π发光面的光通量标准灯进行分布光度计定标，只要确保实验室内无杂散光，测试距离不小于灯具发光面最大尺寸的15倍，就可以达到准确可靠的测试结果。积分球内的光度测试探头采集的照度是反射光线的总和，对于窄光束灯具，第1次反射光、第2次反射光及第3次反射光均不能在积分球表面有均匀的照度分布，改变灯具在积分球内不同的安装角度就可得到不同的光通量测试结果，不存在合适的安装角度去测试光通量，要得到准确可靠的必须用与被测灯有相同光强分布的光通量标准灯进行定标，这显然不可能实现，只要光束角不小于100°就可实现光通量准确测试。