普通照明用非定向自鎮流LED燈色品容差的測試方法和實驗裝置

張帆 馬宇明 馬瑤/.江蘇省計量科學研究院；.浙江省計量科學研究院

0 引言

近幾年，LED照明產業步入成熟階段。2016年以來，LED照明行業產銷規模達到2550億元，LED照明滲透率由2010年的0.6%升至2016年的42 %。照明行業內企業兩極分化明顯。一方面是一大批企業通過并購重組做大做強，另一方面淘汰相關的落后產能。評價LED照明應用產品的品質，不僅要關注能源效率，同時要注重光色質的進步。提供有益健康、舒適愉悅的高質量照明環境。因為人們長期在接近自然光的環境下，視覺效果好，視覺不易疲勞。色品容差是LED燈顏色性能方面的一個重要指標。GB/T 24908-2014 《普通照明用非定向自鎮流LED燈 性能要求》標準中規定色品容差平均值不大于5。

1 相關概念

1.1 自鎮流LED燈

含有燈頭、LED光源和保持其穩定燃點所必需的元件并使之為一體的，在不損壞其結構時是不可拆卸的燈。

1.2 非定向自鎮流LED燈

非定向自鎮流LED燈是實行能源效率標識管理的產品，具備非定向照明燈特性的自鎮流LED燈。

1.3 色品容差

非定向自鎮流LED燈的色品坐標與目標值的偏差，用SDCM表示。色品坐標是一組三色刺激值中的每一個值與它們的總和之比，用x，y表示。色品容差是被測光源（由光電色檢測系統軟件計算得到）與標準光源差別的物理量。數值越小，說明被測光源越接近標準光源。在測試LED燈時，檢測設備會自動識別被測光源的色溫范圍， 并確定對應的標準光源色溫取值，從而計算出其色品容差。在相同色溫時，參考標準光譜一致，但色坐標不同，色品容差也不同。

1.4 色溫

色溫是光源顏色特性質量的表征。如果一個光源發射光的色品與某一溫度下的黑體的色品相同，此時的黑體的絕對溫度叫做光源的顏色溫度，簡稱色溫。

1.5 分布溫度

在某一波長范圍內，如果光源發射的輻射與某一溫度下黑體的輻射具有最接近的光譜功率分布，那么此時黑體的絕對溫度定義為該光源在該波長范圍內的光譜分布溫度，簡稱分布溫度。

1.6 光源的相關色溫

除熱輻射光源以外的其他光源具有線狀光譜，其輻射特性與黑體輻射特性差別較大，所以這些光源的光色在色度圖上不一定準確地落在黑體軌跡上。此類光源發射光的顏色和黑體不相同時，對這樣一類光源，通常用相關色溫和顯色指數兩個量來描述光源的顏色特性。在某一確定的均勻色度圖中，如果光源與某一溫度下的黑體具有最接近相同的光色，此時黑體的絕對溫度值叫做光源的相關色溫。

1.7 平均色溫

由于光源在發光時，顏色特性具有空間分布不均勻性，不同方向的顏色特性會有所不同，光源某一方向上的色溫即為光源的單向色溫；積分球和光譜輻射計配合使用，使光在積分球內的均勻漫反射涂層多次反射，達到空間積分的作用，從而測得的是光源的平均色溫。

2 實驗裝置

2.1 配套設備

本次實驗采用的實驗方法為積分球法，測量光源的平均色溫、色品容差等光學參數。測試時，需屏蔽周圍環境雜散光的影響，使用的電源及監測儀表應符合GB 24824-2009《普通照明用LED模塊 測試方法》中的要求。

2.1.1 供電電源

1）在穩定期間，電源電壓應穩定在±0.5%的范圍之內；在測量時，電壓應穩定在±0.2%的范圍之內；對于老化試驗，電壓應穩定在±2%內。

2）電源電壓的諧波含量不超過3%，總諧波含量是基波為100%各次諧波分量的均方根之和。

3）電源電壓應能從零平滑而準確地調至額定電壓值或額定電流值。

2.1.2 電參數測量儀表

電參數測量原理見圖1。

1）標準電阻準確度等級應不低于0.01級。

2）數字電壓表兩臺，準確度等級應不低于0.02級。

3）數字功率計。

功率測量范圍：0～1 000 W；功率測量最大允許誤差：±(0.1%的讀數+0.1%的量程)；波峰因子不小于3。

圖1 電參數測量原理圖

2.1.3 總光通量和顏色測量系統

1）測光用積分球

積分球、球體測量窗口、球內燈座、擋屏均應符合如下規定：

（1）積分球直徑：如燈的最大尺寸≥300 mm，積分球直徑應至少為2.0 m；如燈的最大尺寸＜ 300 mm，積分球直徑應至少為燈最大尺寸的6倍，推薦1.5～2.0 m直徑；

（2）球體內表面各處的曲率半徑應基本一致，球體應有良好的光密封性。

（3）球體內表面及附件表面須均勻涂覆白色涂層，要有較好的化學穩定性及漫反射特性，在可見光范圍內的光譜反射率應接近中性，其差異應不大于5%。積分反射率應不低于88%。球內各部分的反射率應均勻，使用過程中，球內各部分空間反射比的差異應不大于5%。

（4）總光通量標準燈的燈座位置應使燈垂直燃點且燈頭朝上，被測燈的燈座位置應使燈符合產品標準中規定的燃點位置和方向，且應使燈的發光中心位于積分球的球心。

2）光譜輻射計

光譜范圍需覆蓋：380～780 nm；儀器波長最大允許誤差：±0.2 nm，重復性不大于0.2 nm；雜散光：1.00E-03；應有良好的線性和穩定性，采樣間隔不大于5 nm，在其工作范圍內重復性誤差不大于1%，非線性誤差不超過±1%（色溫在2 700～3 000 K范圍的連續光譜光源）。

3）總光通量標準燈

當總光通量標準燈和被測燈外形存在較明顯差異，則應進行吸收修正；功率范圍：0 ～100 W；總光通量標準燈應符合二級及以上。

注：上述測量儀表均應具有有效的檢定、校準證書。

2.2 測量光源的平均色溫、色品容差的實驗裝置

將標準光源置于積分球中心處，先對光譜輻射計定標，然后用待測光源替換掉標準光源，兩個光源位置一致，再用光譜輻射計對待測光源進行測量，得到的色溫即為光源的平均色溫，并得到待測光源的色品容差。

總光通量和顏色測量系統如圖2所示。

圖2 平均色溫、色品容差測量布置示意圖

光源安置在積分球中間，與探測器之間放置擋板，再進入到光譜輻射計。積分球涂層均勻，光譜反射比如圖3所示。

圖3 積分球涂層光譜反射比示意圖

3 數據分析

3.1 測量模型

以色調代碼27的非定向自鎮流LED燈為例，色品容差按照式（1）計算

式中：Δx，Δy——待測燈與額定坐標值x和y的誤差；

x，y——額定坐標值，詳見表1；

g11，g12，g22——標準顏色系數，詳見表2

表1 非定向自鎮流LED燈的額定坐標值

企業可以根據用戶的要求制造非標準顏色的燈，但應同時給出非標準顏色色品坐標的目標，且其色品容差應在5SDCM的范圍之內。對于非標準顏色的燈，其光效應按鄰近標準顏色光效值較高的能效等級進行判定。

表2 標準顏色系數

3.2 測量不確定度主要來源

自鎮流LED燈色品容差測量標準不確定度的主要來源有：

（2）色品坐標與額定坐標之差Δx引入的標準不確定度u(Δx)；

（3）色品坐標與額定坐標之差Δy引入的標準不確定度u(Δy)。

根據不確定度合成原理，自鎮流LED燈的合成標準不確定度計算公式為

3.3 標準不確定度分量的評定

1）標準不確定度的A類評定

自鎮流LED燈色品容差的測量重復性引入的標準不確定度按A類評定。對十只額定功率為5.5 W的自鎮流LED燈進行10次獨立的色品容差測量，測量結果如表3所示。

表3 自鎮流LED燈色品容差測量結果

本例中十個同規格自鎮流LED燈視為同類被測量，通過測量得到10組數據，每組測量10次，單個樣品的測量重復性引入的標準不確定度即合并樣本的標準偏差計算公式如式（3）：

m——樣本組數，這里m=10；

n——獨立測量的次數，這里n=10

代入表3被測數據，得單樣測量重復性引入的的標準不確定度為

十組平均色品容差可用貝塞爾公式計算得A類評定的標準不確定度分量，計算公式如式（4）：

n——獨立測量次數，這里n=10

代入表3被測數據，得平均色品容差測量重復性引入的標準不確定度為

2）標準不確定度的B類評定

色品坐標與額定坐標之差Δx，Δy測量的不確定度來源包括標準燈引入的不確定度、光譜輻射儀測量系統引入的不確定度。根據不確定度合成原理，Δx，Δy引入的合成標準不確定度為

（1）標準燈引入的標準不確定度

用標準燈定標本系統，并進行自測，最大示值變動量0.000 5，則標準燈引入的標準不確定度分量為

（2）光譜輻射儀測量系統引入的標準不確定度分量

光譜輻射儀測量系統的最大允許誤差為±0.002 0，視其矩形分布。則光譜輻射儀測量系統引入的標準不確定度分量為

根據不確定度合成原理，把以上結果代入式（5），可以得到u(Δx)=u(Δy)=0.001 2

3.4 合成標準不確定度

非定向自鎮流LED燈色品容差測量的各不確定度分量，見表4。

表4 測量不確定度分量一覽表

根據式（4）可得到：

u()=0.89

3.5 擴展不確定度

取包含因子k=2，則：

平均色品容差的擴展不確定度為

U()=k·u()=1.8

4 結語

本文梳理了普通照明用非定向自鎮流LED燈相關檢測參數的定義，尤其是色溫、相關色溫和平均色溫三個易混淆的定義，從其物理意義上進行了闡述和區別；著重描述了色品容差的測試方法和實驗裝置，分析了測量不確定度分量的可能來源，所建立的分析模型可有效指導相關技術人員對單個樣品進行不確定度評定。評定方法既可指導生產廠家對產品色品容差進行有效質控，亦是質檢機構在監督檢查中可參考實施的方法。

在實際測量中，還要注意以下事項：1）標準光源和待測光源應滿足相同的標定或測量條件；2）確保標準器溯源參數和量傳參數一致；3）盡量選取配光曲線是4Π發光的，否則需考慮光束角大小及指向引入的不確定度。目前半導體照明發展速度飛快，LED照明產品日新月異，性能指標提高很快，新的標準和技術規范等也不斷涌現，國內外相關的標準也會不斷地更新，相關方應持續予以關注。