LED照明產(chǎn)品光電色性能檢測(cè)方法研究

近年來(lái)，隨著LED技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，大功率半導(dǎo)體照明器件在近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，特別是白光功率和光效不斷提高，LED逐步進(jìn)入照明領(lǐng)域，引發(fā)了一場(chǎng)新的照明技術(shù)領(lǐng)域的革命。LED經(jīng)過(guò)不同方式排列組合和光學(xué)設(shè)計(jì)，形成了各式各樣的LED照明產(chǎn)品，而LED照明產(chǎn)品的研究、開(kāi)發(fā)在我國(guó)正如火如荼的進(jìn)行，LED照明產(chǎn)品的性能水平也在逐步提高。在采用正確試驗(yàn)方法的前提下，準(zhǔn)確測(cè)量LED照明產(chǎn)品的光電色性能參數(shù)是科學(xué)評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能、質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)。針對(duì)LED照明產(chǎn)品光電色性能檢測(cè)現(xiàn)狀，筆者結(jié)合所在中心在檢測(cè)LED產(chǎn)品工作中的積累，對(duì)LED照明產(chǎn)品光電色性能的檢測(cè)方法做了梳理和總結(jié)。

一、LED照明產(chǎn)品性能指標(biāo)的一般評(píng)價(jià)

1.LED照明產(chǎn)品的分類

目前LED照明產(chǎn)品主要可分為L(zhǎng)ED照明燈具（例如：LED道路燈具、LED投光燈具、嵌入式LED燈具、LED隧道燈具、LED裝飾燈具、LED臺(tái)燈）和傳統(tǒng)照明光源替代品LED燈（例如：自鎮(zhèn)流LED燈、MR16、PAR燈、直管形LED熒光燈T8/T12等）。LED照明燈具是包括基于LED發(fā)光元件和匹配的驅(qū)動(dòng)器，配光部件、固定和保護(hù)發(fā)光元件的部件以及將器具連接到分支電路部件的完整照明器具。照明用LED燈又可分為非整體式LED燈和整體式LED燈兩類。

非整體式LED燈包含有LED陣列（模塊）或者LED封裝（元件）和標(biāo)準(zhǔn)燈頭以及其他光度、熱學(xué)、機(jī)械和電氣元件的組件。該LED燈需安裝在有標(biāo)準(zhǔn)燈座和LED驅(qū)動(dòng)器的燈具內(nèi)使用。該LED燈不能直接與分支電路連接。

整體式LED燈包含有LED陣列（模塊）或LED封裝（元件）、LED驅(qū)動(dòng)器、標(biāo)準(zhǔn)燈頭以及其他光度、熱學(xué)、機(jī)械和電氣元件的整體組合。該LED燈可直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)化的燈座上使用，它能直接與分支電路連接。LED燈與LED照明燈具的最大區(qū)別是LED燈需安裝在標(biāo)準(zhǔn)燈座內(nèi)使用。

2.LED照明燈具與傳統(tǒng)光源燈具的差異

目前LED照明燈具與傳統(tǒng)光源燈具在諸多方面存在著不同。首先，傳統(tǒng)光源燈具的壽命可以通過(guò)替換損壞的光源、燈的控制裝置來(lái)滿足要求，所以一般不評(píng)價(jià)傳統(tǒng)光源燈具的壽命。LED照明燈具是LED光源與燈具外殼一體的，目前LED照明燈具的壽命與LED光源本身壽命、LED驅(qū)動(dòng)器以及燈具提供給LED的環(huán)境等諸多因素有關(guān)。對(duì)不同的LED燈具，其壽命只有通過(guò)相關(guān)的壽命特性評(píng)價(jià)才能確定。

其次，與傳統(tǒng)光源燈具不同，LED照明燈具是使用多個(gè)LED光源或模塊發(fā)光體組成并發(fā)光的，LED燈具中的發(fā)光體之間存在顏色差異性，需要使用色空間均勻度評(píng)價(jià)來(lái)評(píng)價(jià)LED燈具顏色的空間分布情況，評(píng)價(jià)LED燈具存在的不同觀察角顏色差異。

再次，傳統(tǒng)照明光源可單獨(dú)進(jìn)行光度測(cè)試，光度測(cè)量時(shí)可以使用相對(duì)法。由于LED燈具一體化和LED光源對(duì)溫度極其敏感的特點(diǎn)，不適宜將LED光源從燈具內(nèi)分離出來(lái)單獨(dú)測(cè)量，光度測(cè)量時(shí)應(yīng)采用絕對(duì)法對(duì)LED燈具整體進(jìn)行光度測(cè)試。

第四，傳統(tǒng)照明燈具用燈具效率來(lái)評(píng)價(jià)，而LED燈具使用能效或光效來(lái)評(píng)價(jià)。

3.LED照明產(chǎn)品性能指標(biāo)的一般評(píng)價(jià)

照明產(chǎn)品性能指標(biāo)的一般評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包含：光特性；電特性、顏色特性、熱特性、壽命特性、可靠性等。目前評(píng)價(jià)LED照明產(chǎn)品性能指標(biāo)主要包含有以下幾方面：

（1）光特性主要包括：光強(qiáng)分布、初始輸出能效（光效）/光通量、光強(qiáng)/照度；（2）電特性主要包括：燈功率、功率因數(shù)；（3）顏色特性主要包括：相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、色品坐標(biāo)、色品容差、主波長(zhǎng)（單色）、顏色分布不均勻性和色空間均勻度；（4）熱特性主要包括熱阻和結(jié)溫；（5）壽命特性主要包括開(kāi)關(guān)次數(shù)試驗(yàn)、壽命/加速壽命試驗(yàn)、流明維持率（光通量維持率）/光強(qiáng)維持率（反光杯式MR16或PAR燈）；（6）可靠性試驗(yàn)。

二、LED照明產(chǎn)品光電色性能的檢測(cè)方法

由于目前關(guān)于LED照明產(chǎn)品的熱特性、壽命特性和可靠性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在研討和起草中，所以本文重點(diǎn)討論LED照明產(chǎn)品光電色性能的檢測(cè)方法。下面分LED照明燈具和LED燈兩大系列來(lái)討論。

1.LED照明產(chǎn)品測(cè)試環(huán)境和物理?xiàng)l件

LED照明產(chǎn)品往往都有光學(xué)部件，所以要在相對(duì)干凈的環(huán)境中儲(chǔ)存和試驗(yàn)，產(chǎn)品上的透鏡要干凈沒(méi)有手印。試驗(yàn)的環(huán)境不能有過(guò)分的震動(dòng)和沖擊，減小空氣對(duì)流。由于LED照明產(chǎn)品性能參數(shù)對(duì)溫度較為敏感，在試驗(yàn)中周圍環(huán)境空氣溫度和濕度應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的環(huán)境要求。環(huán)境溫度為25℃±1℃（開(kāi)關(guān)壽命試驗(yàn)為5℃±5℃）最大相對(duì)濕度為65％，無(wú)對(duì)流風(fēng)。產(chǎn)品的工作姿態(tài)應(yīng)按照制造商規(guī)定的工作姿態(tài)或?qū)嶋H使用姿態(tài)，以免不當(dāng)?shù)墓ぷ髯藨B(tài)影響散熱，進(jìn)而影響光電參數(shù)。LED照明產(chǎn)品需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到溫度平衡。一般LED燈需穩(wěn)定30分鐘，大型LED照明燈具需2小時(shí)以上達(dá)到溫度平衡。溫度平衡的判斷原則：15分鐘內(nèi)照度變化小于0.5%即可認(rèn)為達(dá)到了溫度平衡。

2.LED照明燈具的光電色性能檢測(cè)

LED照明燈具的光電色性能主要參數(shù)包括：燈具總功率、功率因數(shù)、光強(qiáng)分布、燈具總輸出光通量、輸出光效、流明維持率/光通量維持率、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、色容差、色坐標(biāo)、色品的空間不均勻度等。

（1）在同時(shí)裝有分布光譜輻射計(jì)的分布光度計(jì)上通過(guò)一次測(cè)量幾乎可得到所有性能參數(shù)的結(jié)果。分布光譜輻射計(jì)主要測(cè)試燈具的顏色特性和色空間分布情況，分布光度計(jì)主要測(cè)試光分布、光通量等參數(shù)。分布光度計(jì)的測(cè)試原理可參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T9468-2008《燈具分布光度測(cè)量的一般要求》。

（2）目前很多檢測(cè)機(jī)構(gòu)的光特性參數(shù)（光分布、光通量）和顏色特性參數(shù)是分別用分布光度計(jì)和積分球系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)。所有使用分布光度計(jì)測(cè)試燈具時(shí)，燈具夾裝務(wù)必使LED燈具光中心與機(jī)械軸中心重合，同時(shí)盡量使燈具處于正常工作姿態(tài)。在用積分球系統(tǒng)測(cè)試顏色特性時(shí)，燈具不一定要處于積分球中心位置。

（3）LED燈具的光通量也可用積分球系統(tǒng)來(lái)測(cè)量，理想狀態(tài)是將LED燈具置于積分球頂部，并使所有輸出光進(jìn)入積分球內(nèi)，同時(shí)還可測(cè)得燈具的顏色參數(shù)。目前現(xiàn)有的積分球開(kāi)口位置絕大多數(shù)在側(cè)面，為此我所專門(mén)采購(gòu)了美國(guó)藍(lán)菲公司的旋轉(zhuǎn)式2米積分球系統(tǒng)用于LED照明產(chǎn)品的光色檢測(cè)。積分球的2p開(kāi)口可以根據(jù)需要在任意位置停止，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品在任意位置進(jìn)行測(cè)量，滿足能源之星LM-79測(cè)試要求。

目前檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)于LED燈具的光電色性能檢測(cè)主要采用上述（1）、（2）兩種模式。用分布式光度計(jì)測(cè)量最大缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間太長(zhǎng)，測(cè)試效率太低。

3.LED燈的光電色性能檢測(cè)

LED燈的光電色性能主要參數(shù)包括：燈功率、功率因數(shù)、光通量、輸出光效、光通量維持率、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、色品容差、色坐標(biāo)和反光杯式MR16或PAR燈的光束角、光強(qiáng)和光強(qiáng)維持率等。

（1）配有輔助燈的積分球系統(tǒng)可以快速測(cè)得LED燈的所有這些光電色性能參數(shù)。先將LED燈置于積分球中心，在LED被測(cè)燈不點(diǎn)亮的情況下用點(diǎn)亮的輔助燈測(cè)試一次。熄滅輔助燈并點(diǎn)亮被測(cè)LED燈，穩(wěn)定后再測(cè)試一次，得到被測(cè)燈的顏色特性參數(shù)，并通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算得到被測(cè)LED燈的光通量。若積分球內(nèi)不配有輔助燈，LED燈體本身會(huì)吸收部分反射光，光通量值會(huì)存在一些誤差。同時(shí)積分球內(nèi)壁還應(yīng)具有較高反射率：90%~98%。目前絕大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)內(nèi)的積分球系統(tǒng)無(wú)輔助燈，積分球內(nèi)壁反射率低于90%，這些積分球系統(tǒng)不能精確測(cè)量LED燈的光通量。

（2）LED燈的光通量也可用分布光度計(jì)來(lái)測(cè)量，測(cè)試時(shí)γ角度范圍要選180°，燈中心與機(jī)械軸中心重合。缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間太長(zhǎng)。

（3）反光杯式MR16或PAR燈的光束角、光強(qiáng)可通過(guò)小型臥室分布光度計(jì)來(lái)測(cè)得。測(cè)試時(shí)，機(jī)械軸和光軸要一致。缺點(diǎn)是測(cè)試姿態(tài)為非正常工作狀態(tài)，需對(duì)測(cè)試結(jié)果做修正。

三、總結(jié)

LED照明產(chǎn)品光電色性能參數(shù)測(cè)量可采用分布光度計(jì)或積分球系統(tǒng)測(cè)量，也可搭配使用。具體選擇哪個(gè)方法視所需測(cè)量的量（顏色特性、光特性）、產(chǎn)品的尺寸和其他要求而定?？傮w上，配有輔助燈的積分球系統(tǒng)適于測(cè)量一體化LED燈和相對(duì)小尺寸LED燈具的光特性和顏色特性參數(shù)。積分球系統(tǒng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量快，而且不需要暗室。分布光度計(jì)提供了光強(qiáng)分布和總光通量測(cè)量方法，它可以測(cè)量相對(duì)較大的LED照明產(chǎn)品，當(dāng)然也可以用于測(cè)量小尺寸LED照明產(chǎn)品。注意試驗(yàn)環(huán)境要求，空氣流動(dòng)可能影響對(duì)溫度較敏感LED照明產(chǎn)品的測(cè)量。使用分布光度計(jì)法應(yīng)注意正確夾裝定位。安裝在分布光度計(jì)上的高精度光譜輻射計(jì)可不經(jīng)過(guò)鏡子反射直接測(cè)出顏色的空間分布。與積分球相比，用分布光度計(jì)測(cè)量較費(fèi)時(shí)間。在正確試驗(yàn)方法前提下，通過(guò)合理選擇檢測(cè)方法達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量LED照明產(chǎn)品的光電色性能參數(shù)，為科學(xué)評(píng)價(jià)LED照明產(chǎn)品性能質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)提供數(shù)據(jù)支撐。