LED照明產(chǎn)品光電色性能檢測方法研究

近年來，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)了一場新的照明技術(shù)領(lǐng)域的革命。LED經(jīng)過不同方式排列組合和光學(xué)設(shè)計，形成了各式各樣的LED照明產(chǎn)品，而LED照明產(chǎn)品的研究、開發(fā)在我國正如火如荼的進(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)確測量LED照明產(chǎn)品的光電色性能參數(shù)是科學(xué)評價產(chǎn)品性能、質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)。針對LED照明產(chǎn)品光電色性能檢測現(xiàn)狀，筆者結(jié)合所在中心在檢測LED產(chǎn)品工作中的積累，對LED照明產(chǎn)品光電色性能的檢測方法做了梳理和總結(jié)。 　　一、LED照明產(chǎn)品性能指標(biāo)的一般評價 　　1.LED照明產(chǎn)品的分類 　　目前LED照明產(chǎn)品主要可分為LED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替換損壞的光源、燈的控制裝置來滿足要求，所以一般不評價傳統(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)動器以及燈具提供給LED的環(huán)境等諸多因素有關(guān)。對不同的LED燈具，其壽命只有通過相關(guān)的壽命特性評價才能確定。 　　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價來評價LED燈具顏色的空間分布情況，評價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)行光度測試，光度測量時可以使用相對法。由于LED燈具一體化和LED光源對溫度極其敏感的特點(diǎn)，不適宜將LED光源從燈具內(nèi)分離出來單獨(dú)測量，光度測量時應(yīng)采用絕對法對LED燈具整體進(jìn)行光度測試。 　　第四，傳統(tǒng)照明燈具用燈具效率來評價，而LED燈具使用能效或光效來評價。 　　3.LED照明產(chǎn)品性能指標(biāo)的一般評價 　　照明產(chǎn)品性能指標(biāo)的一般評價內(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。目前評價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(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方法。下面分LED照明燈具和LED燈兩大系列來討論。 　　1.LED照明產(chǎn)品測試環(huán)境和物理?xiàng)l件 　　LED照明產(chǎn)品往往都有光學(xué)部件，所以要在相對干凈的環(huán)境中儲存和試驗(yàn)，產(chǎn)品上的透鏡要干凈沒有手印。試驗(yàn)的環(huán)境不能有過分的震動和沖擊，減小空氣對流。由于LED照明產(chǎn)品性能參數(shù)對溫度較為敏感，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℃(開關(guān)壽命試驗(yàn)為5℃±5℃)最大相對濕度為65%，無對流風(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)品需要足夠長的時間達(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 　　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)在同時裝有分布光譜輻射計的分布光度計上通過一次測量幾乎可得到所有性能參數(shù)的結(jié)果。分布光譜輻射計主要測試燈具的顏色特性和色空間分布情況，分布光度計主要測試光分布、光通量等參數(shù)。分布光度計的測試原理可參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T9468-2008《燈具分布光度測量的一般要求》。 　　(2)目前很多檢測機(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和積分球系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)。所有使用分布光度計測試燈具時，燈具夾裝務(wù)必使LED燈具光中心與機(jī)械軸中心重合，同時盡量使燈具處于正常工作姿態(tài)。在用積分球系統(tǒng)測試顏色特性時，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)來測量，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)，同時還可測得燈具的顏色參數(shù)。目前現(xiàn)有的積分球開口位置絕大多數(shù)在側(cè)面，為此我所專門采購了美國藍(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。積分球的2p開口可以根據(jù)需要在任意位置停止，從而實(shí)現(xiàn)待測樣品在任意位置進(jìn)行測量，滿足能源之星LM-79測試要求。 　　目前檢測機(jī)構(gòu)對于LED燈具的光電色性能檢測主要采用上述(1)、(2)兩種模式。用分布式光度計測量最大缺點(diǎn)是測試時間太長，測試效率太低。 　　3.LED燈的光電色性能檢測 　　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被測燈不點(diǎn)亮的情況下用點(diǎn)亮的輔助燈測試一次。熄滅輔助燈并點(diǎn)亮被測LED燈，穩(wěn)定后再測試一次，得到被測燈的顏色特性參數(shù)，并通過軟件自動計算得到被測LED燈的光通量。若積分球內(nèi)不配有輔助燈，LED燈體本身會吸收部分反射光，光通量值會存在一些誤差。同時積分球內(nèi)壁還應(yīng)具有較高反射率：90%~98%。目前絕大部分檢測機(jī)構(gòu)內(nèi)的積分球系統(tǒng)無輔助燈，積分球內(nèi)壁反射率低于90%，這些積分球系統(tǒng)不能精確測量LED燈的光通量。 　　(2)LED燈的光通量也可用分布光度計來測量，測試時γ角度范圍要選180°，燈中心與機(jī)械軸中心重合。缺點(diǎn)是測試時間太長。 　　(3)反光杯式MR16或PAR燈的光束角、光強(qiáng)可通過小型臥室分布光度計來測得。測試時，機(jī)械軸和光軸要一致。缺點(diǎn)是測試姿態(tài)為非正常工作狀態(tài)，需對測試結(jié)果做修正。 　　三、總結(jié) 　　LED照明產(chǎn)品光電色性能參數(shù)測量可采用分布光度計或積分球系統(tǒng)測量，也可搭配使用。具體選擇哪個方法視所需測量的量(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)適于測量一體化LED燈和相對小尺寸LED燈具的光特性和顏色特性參數(shù)。積分球系統(tǒng)測試的優(yōu)點(diǎn)是測量快，而且不需要暗室。 　　分布光度計提供了光強(qiáng)分布和總光通量測量方法，它可以測量相對較大的LED照明產(chǎn)品，當(dāng)然也可以用于測量小尺寸LED照明產(chǎn)品。注意試驗(yàn)環(huán)境要求，空氣流動可能影響對溫度較敏感LED照明產(chǎn)品的測量。使用分布光度計法應(yīng)注意正確夾裝定位。 　　安裝在分布光度計上的高精度光譜輻射計可不經(jīng)過鏡子反射直接測出顏色的空間分布。與積分球相比，用分布光度計測量較費(fèi)時間。在正確試驗(yàn)方法前提下，通過合理選擇檢測方法達(dá)到準(zhǔn)確測量LED照明產(chǎn)品的光電色性能參數(shù)，為科學(xué)評價LED照明產(chǎn)品性能質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢提供數(shù)據(jù)支撐。