室内健康照明产品参数的实验室测试结果调查比对研究

郑怀文，赵伟强，李 燕，杨 华

(1.中国科学院半导体研究所 中国科学院半导体照明研发中心 中国科学院大学 北京第三代半导体材料与应用工程技术研发中心 半导体照明联合创新国家重点实验室，北京 100083;2.中国计量科学研究院，北京 100029)

引言

近年来，面向健康照明的LED技术、光生物机理及应用技术受到了广泛的重视[1-4]。目前的多数光生物健康机理的研究主要基于照明光源的色度学参数进行[5-7]，传统的白光LED主要是通过将LED芯片发出的蓝光与来自黄色荧光粉的黄光混合产生的，虽然能够满足色度学指标的实验要求，但是与自然光源在光谱特性上存在很大差异。人们进而关注到类似自然光光谱的光源可能具有的健康照明属性并进行了大量的工作[8-10]。在此过程中，判断类似黑体辐射、重组日光等光源光谱的一致性、重复性等问题也成为了人们关注的对象[11-14]。

为了考察现有的照明产品检测能力对于健康照明相关产品主要指标的检测能力，支撑健康照明有关标准规范的制定工作，我们制备了不同色温的全光谱LED室内用球泡灯和筒灯灯具，分别在3家有资质的实验室(1家内资第三方实验室A，1家内资企业实验室B，1家外资第三方实验室C)进行了相关色温和光通量的检测，并针对检测结果进行了分析和比对。本研究对于促进提升国内健康照明产业检测机构的测量能力，指导企业研发生产更有益的光健康照明产品，提高我国半导体照明产业的国际竞争力具有一定价值。

1 实验样品制备和测试方法

1.1 实验样品的制备

室内照明灯具数量较大的包括球泡灯、管灯、筒灯、射灯、平板灯等，我们先期选取了市场典型的球泡灯和筒灯样品，对其进行了主要参数包括电压、电流、功率、光通量、光效、相关色温、显色指数、色坐标等参数的测试并进行了比较。结果表明实验室间所测试数据具有较强的可比性，考虑到与健康照明关系密切的主要是影响照度的总光通量和影响生物效应的光色指标参数，而基于光谱的评价指标和评价方法尚未得到广泛应用，因此确定选用总光通量和相关色温作为测试的主要参数。

根据以上对室内照明灯具的调研和初步检测，选定LED球泡灯和LED筒灯为灯具形式。考虑到色温覆盖性和健康照明光谱研究工作的进展，我们采用类太阳光LED作为两种灯具的光源。设计LED球泡灯的功率为7 W，LED筒灯的功率为22 W，灯具易达热平衡，选用高品质恒流输出，电流值设置为LED模块最大输入电流的50%左右，LED光源光度衰减慢，利于LED室内照明灯的输出稳定性。常规的LED室内灯具的色温一般为2 700～6 500 K附近，我们选用了3种不同色温区间 2 700 K、4 000 K以及6 500 K附近，有助于考察不同色温区间LED灯具在实验室测试的光色参数测试结果的差异。制备并选取一批样品后，进行老化预处理，筛选其中性能稳定的样品作为比对样品。如图1所示，对选取的样品进行8 h连续测试，其在30 min后光谱功率达到稳定状态。在2周内进行多次测试，测试数据基本一致。

图1 典型样品的光谱稳定性Fig.1 Spectrum stability of samples

1.2 测试方法

测试方法参考GB/T 24824—2009《普通照明用LED模块测试方法》，自镇流LED模块在额定电压下测定，电压稳定在额定值+0.5%范围内；在光电参数稳定后测量，即15 min内，光通量变化小于0.5%后采集数据；总光通量采用积分球法或者光强积分法测量，其中积分球测量示意图如图2所示，其中图(a)为在积分球中央中心放置光源，图(b)和图(c)分别在与探测器相对位置不同的积分球侧壁放置光源。

图2 积分球测量示意图Fig.2 Integrating sphere measurement diagram

2 测试过程和测试结果

样品完成制备、筛选和预测试之后，于2020年10月通过快递方式委托实验室B进行检测并出具报告，2020年11月通过快递方式委托实验室A进行检测并出具报告，2021年1月通过快递方式委托实验室C进行检测并出具报告，在全部检测完成后对3家实验室的测试结果进行统计分析。之后为进一步进行研究，于2021年4月通过快递方式委托中国计量科学研究院进行检测并出具校准证书，作为测量标准值对3家实验室的测试结果进行了进一步的调查分析。相关测试结果如表1～表4所示。

表1 球泡灯的光通量测试结果Table 1 Luminous flux test results of the bulb lamps

表2 球泡灯的相关色温测试结果Table 2 The relevant color temperature test results of the bulb lamps

表3 筒灯的光通量测试结果Table 3 Luminous flux test results of the downlights

表4 筒灯的相关色温测试结果Table 4 The relevant color temperature test results of the downlights

以上对球泡灯和筒灯的测试，其依据的主要测试标准为GB/T 24824、GB/T 9468和GB/T 24824和IES TS 79-08的测试要求。其中实验室A的光通量相对不确定度(k=2)球泡灯2.1%、筒灯1.4%，相关色温不确定度(k=2)球泡灯18 K、筒灯18 K；实验室B的光通量相对不确定度球泡灯1.7%、筒灯1.8%，相关色温不确定度球泡灯17 K、筒灯17 K；实验室C的光通量相对不确定度球泡灯1.4%、筒灯1.4%，相关色温不确定度球泡灯14K、筒灯14K；计量院测试数据不确定度在表1～表4中标出。

3 分析和讨论

参考值的确定。根据CNAS-GL02《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》“4.3 指定值及其不确定度的确定”中确定指定值的常用方法要求，可以采用“有证参考值 —— 根据定义的检测或测量方法确定(针对定量检测)”作为指定值，也可以采用“由参加者确定的公议值——使用 GB/T 28043 和 IUPAC 国际协议等给出的统计方法，并考虑离群值的影响。例如，以参加者结果的稳健平均值、中位值(也称为中位数)等作为指定值。附录 A 给出了由参加者结果确定指定值的常用稳健统计方法”。

我们采用参加者的公议值和国家计量机构的有证参考值方法，分别进行了统计分析。

3.1 采用参与实验室的公议值作为指定值

依据CNAS-GL02《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》附录A“检测能力验证计划常用文件统计方法”的总则，“通常采用经典方法，用格拉布斯(Grubbs)准则等统计方法剔除离群值后计算平均值和标准差，以平均值和标准差作为指定值和能力评定标准差”，考虑到参与调查实验室的数量为3家，确定使用3家CNAS实验室的平均值和标准差作为样品的指定值和指定值的标准差。各参数的指定值及标准差见表5～表8。

表5 球泡灯的光通量指定值及标准差Table 5 Specified values and standard deviation of luminous flux of bulb lamps

表6 球泡灯的色温指定值及标准差Table 6 Specified values of color temperature and standard deviation of bulb lamps

表7 筒灯的光通量指定值及标准差Table 7 Specified values of luminous flux and standard deviation of downlights

表8 筒灯的色温指定值及标准差Table 8 Specified value of color temperature and standard deviation of downlights

依据CNAS-GL02《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》的要求，采用En值作为比对结果的评价方法。对于计算得到的En值，若其绝对值小于等于1，则结果满意；若其绝对值大于1，则结果不满意。各参数的En值计算列表见表9～表12。

表9 球泡灯光通量En值列表Table 9 List of flux En values for bulb lamps

表10 球泡灯相关色温En值列表Table 10 List of relevant color temperature En values for bulb lamps

表11 筒灯光通量En值列表Table 11 List of luminous flux En values for downlights

表12 筒灯相关色温En值列表Table 12 List of color temperature En values for downlights

当采用参与实验的公议值作为指定值时，球泡灯共3个样品，2个参数，选取有CNAS资质国内外参与单位3家。每个样品对应2个En值，3个样品对应6个En值，3家参与单位对应18个En值，全部符合预期。筒灯共3个样品，2个参数，选取有CNAS资质国内外参与单位3家。每个样品对应2个En值，3个样品对应6个En值，3家参与单位对应18个En值，全部符合预期。

但是，由于参与比对调查的实验室数量较少，其统计结果可能存在较大偏差。因此我们采用国家计量标准装置对比对样品进行校准测试，并以校准值作为指定值进行进一步的分析。

3.2 采用有证参考值作为指定值

根据CNAS-GL02《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》“4.3 指定值及其不确定度的确定”中确定指定值的常用方法要求，可以采用“有证参考值 —— 根据定义的检测或测量方法确定(针对定量检测)”作为指定值。参数的En值计算列表见表13～表16。

表13 球泡灯光通量En值列表Table 13 List of light flux En values for bulb lamps

表14 球泡灯相关色温En值列表Table 14 List of related color temperature En value for bulb lamps

表15 筒灯光通量En值列表Table 15 List of luminous flux En values for downlights

表16 筒灯相关色温En值列表Table 16 List of color temperature En values for downlights

由以上各表格数据可以看出，当使用有证参考值作为指定值时，各个色温样品的光通量参数的En值的绝对值小于1，是满意结果。低色温样品的色温值测试结果En也是在满意区间。但是高色温区域样品的色温值与标准值比较时存在明显差异，其中实验室B和实验室C的相关色温值测试结果En值的绝对值大于1，落在离群区间。

我们认为，该差异可能来源于校准仪器量值、校准方法或规范，以及所使用的测量仪器系统偏差等。一般来说，高色温的LED样品，其蓝光成分(峰值波长在450 nm附近)占总辐射功率比重高，测量时光谱辐射计的蓝色部分的响应定标系数将显著影响测量结果。当在积分球系统中使用光谱总辐射通量灯(通常是卤素灯)对光谱辐射计定标时，由于卤素灯的光谱特点，其蓝光成分占比小，考虑到光谱辐射计在蓝光区域具有较低的响应度，另外蓝色区域外的光可能会散射到蓝色区域(即到内部杂散光影响)。此时光谱辐射计，特别是CCD型，蓝色区域的光谱响应度定标，与其他区域相比将具有较大的不确定度。这使得高色温区域的LED相关色温值的测量和不确定度评定变得困难，容易产生偏差。未来可以通过采用更好的标准具以及测试技术和设备的改善进一步提升测量准确性和一致性。

4 结论

本文考察了现有的照明产品检测能力对于健康照明相关产品部分主要指标的检测能力，支撑了健康照明有关标准规范的制定工作。我们制备了不同色温的全光谱LED室内用球泡灯和筒灯灯具，分别调查了3家有资质的实验室(1家内资第三方实验室A，1家内资企业实验室B，1家外资第三方实验室C)，进行了相关色温和光通量的检测。并针对检测的结果进行了分析和比对,在采用公议值作为指定值的时候光通量参数和色温参数都可以满意，这可能与多家检测机构的设备校准溯源与测试仪器趋同有关。在采用上级计量机构的校准证书值作为指定值的时候，其光通量和低色温的色温检测值均满意，但是高色温的色温检测值存在一定的偏离，未来可以通过采用更好的标准具以及测试方法、技术和设备的改善进一步提升健康照明产品指标的测量准确性和一致性。本研究对于促进提升国内健康照明产业检测机构的测量能力，指导企业研发生产更有益的光健康照明产品，提高我国半导体照明产业的国际竞争力具有一定价值。