LED照明产品因其发光机理, 具有较为明显的空间光色不均匀性[1], 特别是经过二次光学设计, 其颜色的不均匀性更加明显, 在不同的观察角表现出相异的颜色, 主要包括边缘黄斑/蓝斑、彩边、混光不匀等颜色不均匀现象[2]。这一空间颜色特性极大地限制了LED照明产品在日常生活中的广泛应用, 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十分必要[3]。美国能源之星标准IES LM-79:2008[4]以及我国国家标准GB/T 24824-2009[5], 都提出了对LED空间颜色分布的测量要求。LED照明产品空间光色均匀性的检测技术研究成为目前国内外研究的热点之一。

空间光度测试技术已经取得较为成熟的发展, 然而空间光谱测试因起步较晚, 在测试速度、测试精度上仍有待提高。目前空间光谱测试主要采用分布光度计搭配快速光谱辐射计的方案, 其中分布光度计主要有中心旋转反光镜分布光度计、同步接收探测器分布光度计、卧式分布光度计等类型, 但均存在一定的原理性缺陷, 从而导致测试精度较低, 光度测量误差甚至超过10%。此外为了实现灯具稳定控制, 测试速度也不能太快, 否则会影响效率。基于这种现状, 本文研究了一种采用测动一体空间光谱同步扫描技术、智能精确采样间隔判定技术的LED空间颜色分布综合分析技术, 来实现LED空间光谱光度的快速准确测量。

系统主要由二维转台、转台控制器、屏蔽暗房、遮光筒、光度光谱采集器、供电电源、电参数采集器和计算机系统等组成, 其工作原理如图 1所示。

系统采用光度光谱探测器保持不动, 被测灯具围绕两个相互垂直的转动轴转动, 在发射光达到的整个角度区域内选择合适的角度间隔进行测量的工作方式。转动轴的转动范围能满足0°~360°, 转角精度达到0.1°。每个转动轴应由电机驱动, 转动平稳, 旋转速度最快可以达到3 r/min。光度光谱采集器是对高精度光度探测器和高精度快速光谱辐射计的集成, 光度探测器用以精确测试灯的空间光度分布, 光谱辐射计用以精确测量灯的空间颜色分布、平均颜色特性及空间颜色不均匀性。系统硬件设有暗箱用以消除环境光, 光阑用以消除杂散光, 以保证测试精度。配合软件系统, 可以实现各类灯具和光源产品的光度分布和光谱分布的快速测试。

由于LED在物理上不能近似为点光源, 即使在同一个出射方向上, 由于照明距离的不同, 颜色也会出现较大的差异, 直至趋于一个稳定的颜色。在不同出射方向上, 颜色差异也较大。通过分布光谱辐射计可以直接测量得到光谱辐照度和光谱辐射强度, 再由光谱辐照度或光谱辐射强度计算得到颜色参数并进行分析, 如色坐标、色空间不均匀性等。

对于球体表面指定的局部区域, 空间平均色坐标(xa, ya)的计算方法为

式中:x(λ)、y(λ)和z(λ)为国际照明委员会(CIE)颜色匹配函数; k为常数; ΔΩ为指定的球体表面区域对应的立体角; Ee(λ, C, γ)为光谱辐照度[方向为(C, γ)]。

对于整个球体表面, 空间平均色坐标(x, y)计算公式为

色空间不均匀性通常用所有测量角度中色坐标偏离指定位置处色坐标的最大值来表示。在CIE 1976中可用Δu′v′来评价, 计算公式为

式中:(ui′, vi′)为任意测量位置i处的色坐标; (ua′, va′)为指定测量位置a处的色坐标。

通过计算得到LED不同位置处的色坐标以及色空间不均匀性, 可以有效地分析各种LED的空间颜色分布。

为解决测量LED空间颜色分布耗时过长的问题, 可通过连续转动扫描方式, 采用测动一体同步扫描技术。

测量过程中, 分布光谱辐射计以一定的速度连续转动, 在测量平面处不停止。在连续转动扫描过程中, 在分布光谱辐射计转动的每个信号积分间隔(SII)进行一次测量。每个信号积分间隔的转动时间等于一次测量的积分时间。实际测量值即整个信号积分间隔段上的测量平均值。如图 2所示, 对应的采样角位置在信号积分间隔的中央。在每两个连续的信号积分间隔之间设置一个操作间隔(OI)来获取上一个信号积分间隔中的测量信号并决定下个信号积分间隔中的起始角测量位置。

测动一体同步扫描技术大大提高了测量系统的稳定性。采样间隔主要取决于采样信号变化很小处的角区域。对于信号变化很快的角区域, 间隔将会更小。在采样信号变化很大且信号很弱的情况下, 应降低分布光谱辐射计的转速以确保精度。

连续转动扫描方法测得的信号可以表达为

式中:γ0是测量平面C的起始角位置; 是第i个采样的角位置; γi是第i个信号积分间隔a(C, γi)的起始角位置; g(C, )和gm(C, )是处的实际值和测量值; ao(C, γi)是两个连续的信号积分间隔之间的操作间隔, 主要用于分布光谱辐射计获取测量数据并计算下个信号积分间隔的积分时间和发送测量开始信号。对应的转动时间称为操作时间to(C, γi), 采样间隔aI(C, )表达式为

采样间隔aI(C, )应确保提取信号与实际信号接近。图 3为使用连续转动扫描方法测量时角度位置与信号的关系图。

在空间光谱光度测量时间合理的前提下, 结合LED实际空间光谱分布情况自动计算, 可实现LED空间光谱辐射测量的采样间隔智能判定, 从而实现空间光谱的高精度测量和信号恢复。实际上采样间隔并不是越小越好, 间隔太小会导致测量时间过长, 间隔太大会降低测量精度, 在选择采样间隔时应综合考虑测量信号的重构和测量速度。

分布辐射计测量得到的信号是多维的。传统测量技术的采样间隔是根据每个波长下的辐射强度或辐照度来确定的, 在不同波长下选择的最小采样间隔可认为是测量的最佳采样间隔。但波长数目巨大, 因此该方法使用不便, 耗时较长。将光谱信息转化为一维信号[如相关色温(CCT)]后再判定采样间隔, 可以大大提高效率。

连续转动扫描方法下的采样间隔aI(C, )是采样积分间隔a(C, γi)和操作间隔ao(C, γi)共同决定的, 随二者变化而变化。采样间隔通过连续扫描和对比测量平面C处的边界条件来确定。转动速度、信号积分间隔和操作间隔都在每次扫描期间确定。具体判定过程如下。

1) 通过分布辐射计测量相对辐射强度分布。

2) 确定系统转速ω(C), 即最小信号积分间隔amin除以最小积分时间tmin。初始的最小信号积分间隔根据测试源的特性人工设定。对于小光束角的光源应设置较小的信号积分间隔。通过调整分布光谱辐射计的积分时间来获取最小积分时间, 以确保辐射强度最大的角位置处仍有良好的信噪比。

3) 根据相对辐射强度分布估算测量平面C处的信号积分间隔。为了保证高信噪比和转速恒定, 信号越弱, 积分时间应越长, 且信号积分间隔不能小于最小信号积分间隔。操作间隔随着采样信号的变化而变化。

为了找出辐射强度最大处的角位置并获取信号分布, 在每个测量平面C处需要先测量一次。不同角位置下的采样积分间隔计算公式为

式中:y(C, γi)为辐射参数; amin为最小信号积分间隔; ymax为信号最强的角位置处的辐射最大读数; ka为防止a(C, γi)太大的系数。

操作间隔可由最近一次的测量信号变化决定。如果变化剧烈, 操作间隔应减小至一个较小的范围, 其他情况下, 可适当加大操作间隔。操作间隔太大会导致重要的采样位置丢失, 应合理选取。操作间隔的一个简化计算公式为

式中f(·)是gm(C, )-gm(C, )/gm(C, )的一个递减函数。

在连续转动扫描期间, 当前扫描的最小信号积分间隔是上一次扫描的一半, 一次扫描中每个采样角位置都应被测量。边界条件用频域来描述。采样信号g(γ)通过快速傅里叶变换(FFT)转换为频域信号, 如图 4所示, 具体描述如下:

式中:δ为当前采样频率下信号成分的比例, 即当前采样间隔的倒数; Sfs为当前采样频率下信号成分所占面积; SF为信号成分总面积; δt为根据信噪比倒数评估的一个阈值。

首先用一只LED灯作为测量样品, 采用连续转动扫描方法对其进行测量分析。图 5为LED光源的配光曲线和相关色温分布曲线。

最小采样积分间隔amin设为0.5°, ka为10, 对应的积分时间先为50 ms, 转速ω(C)为10(°)/s。图 6列出了信号积分间隔和操作间隔的分布。图 7为真实信号g(C, )和测量信号gm(C, )的曲线对比图。图 8为真实信号和测量信号之间的相对误差。系统最大积分间隔为10.5°, 最小积分间隔为2.5°。

由表 1和表 2的测量数据可以得出, 采用不同的测量系统进行空间色度和光度测量时, 在空间色度的测量精度略有提高、空间光度的测量精度基本一致的前提下, 空间色度测量速度提高了84%, 空间光度的测量速度提高了61%。

用一只经过中国计量科学研究院定标的标准灯作为测试样品, 比较新系统、卧式分布光度计GO-2000A (配套高精度光谱辐射计HAAS-2000)的测量差值。具体数据见表 1和表 2。

根据目前LED光源测量时光谱采集耗时长、测量精度低的现状, 采取测动一体空间光谱同步扫描技术, 该技术不同于传统的停转间隔扫描方式下的信号采样、处理方法, 可以大幅度提升扫描速度。智能精准采样间隔判定技术, 有别于以往普遍认为的采样间隔越小越好的采样原则, 根据被测样品实际空间光谱分布情况和测量噪声自动计算, 从而实现采样间距的精准智能判断。通过综合的空间颜色分布检测分析技术, 构建空间光谱仿真模型, 模拟不同类型灯具和光源的空间光谱分布, 不仅有助于完善LED照明产品的评价测试体系, 同时可为LED上游产品研发提供指导, 为中下游广大LED厂商提供客观、准确的评价依据, 有利于对半导体照明灯具的性能进行统一检测与评估, 从而提高产品质量, 增强产品的国际竞争力, 推动产业健康良性发展, 为我国进一步参与国际标准化制定提供参考。