LED的光度——色度学表征及相关测试标准与认证

一． 测试标准及实验室认证
 
1、 ANSI C78.377标准的规定
“能源之星”的色温分类沿用了荧光灯色温的分类技术，只是将定义荧光灯色温的6个色温等级：2700K，3000K，3500K，4000K，5000K和6500K的椭圆改成8个规定的四边形，它们的位置处于相当于 MacAdam 椭圆或超出一些的地方。现在规定四角区域内属于同一色温等级。如图1所示：

图1  1931色品图中显示的8个CCT的四边形
八个分级规定的色坐标入下表2所示：
 
表2 ：定义 SSL 产品色温的 8 个四边形的四角的坐标值
 
2、  IES LM-79-08标准的规定
IES LM-79-08《批准的固态照明产品电气和光度测量方法》于 2008 年首次发布，该标准给出了测量固态照明产品（SSL：solid-state lighting products）的方法的指南。
灯具和光源光度测量标准给出的方法是光源或灯具分别测量。目前 SSL产品的型式可能是灯具或光源，但灯具中的 LED 光源并不像传统光源那样可以与灯具分开并容易替换，现存的这些标准不能直接用于 SSL 产品，SSL 产品需要用绝对光度计，而不是用相对法测量 。
SSL 产品需要的典型光度信息是总光通量（lm） 、发光效能（lm/W） 、一个或多个方向的光强（cd）、色品坐标、相对色温以及显色指数。本标准均通过光度测量确定这些参数。 标准规定了标准条件下进行总光通量、电功率、光强分布、色品的可重现性测量的程序和要遵守的预防措施。
（1）适用范围
适用于基于 LED的带电子控制装置和热沉的 SSL 产品，仅用交流或直流驱动。 覆盖的产品形式是灯具（含有光源的器具） ，以及一体化 LED灯。
该标准不适用于要求有外部驱动电路或外部热沉（如 LED 芯片、LED 插件或 LED 组件）的 SSL 产品。本标准不适用于为 SSL 产品设计但不含有光源的器具，也不适用于确定要考虑个体间差异的产品性能。
（2）测试环境要求
环境温度：25℃±1℃（在距SSL产品1米内，且与SSL产品同一高度测量）空气流动：只能有不影响电气和光度数据的空气流动
电源要求：交流电源波形应工作在谐波分量总和不超过3%基波的规定频率（如：50Hz/60Hz）的正弦交流电压下；电压稳定要求交流或直流电源在有负载的情况下都应稳定在0.2%以内。
产品稳定：稳定时间一般定为30min（小的LED一体灯）至2小时以上（大的SSL灯具）；稳定条件为30分钟（或以上）每15分钟测试，光输出波动小于0.5%。
工作方位（安装位置）：被测样品测试及稳定时的安装方向应与实际使用的方向一致。
电路要求：应布置电参数表监控被测样品的输入电压、输入电流，交流电压下校准不确定度不大于0.2%（直流电压条件
下不大于0.1%），交流功率表的校准不确定度不大于0.5%。
 
3、 IES LM－80标准
该标准于2008年10月北美照明学会正式公布(IESNA Approved Method for Lumen Maintenance Testing of LED LightSources)，是继 LM-79-08(固态照明产品的电气和光度测量)之后公布的第二个对 SSL 产品的测试标准。目的是为测量LED光源光通量维持建立一套规定的方法，从而规范业内的认识和做法,是统一 LED 产品质量的检测方法的又一个重要标准。
适用于测量 LED 封装、阵列和模组光通量的维持。被测器件工作在有外部辅助设备供电的可控条件下，从而得到能用于比较的最好的数据。
能源之星 SSL 产品认证对 L70（到 70%流明维持的时间 ） 的要求是，声称 25000h 寿命 LED 的 L70，6000h 样品的平均流明输出≥91.8%初始值；声称 35000h 寿命 LED 的 L70，6000 小时时样品的平均流明输出≥94.1%初始值。
（1）环境和物理条件
LED 光源要在相对干净的环境中储存和试验，光源干净而且没有手印，上面有制造商的操作说明。为容易区分，试样上要有牢固的标志。
试验的环境不能有过分的震动和冲击。
减小空气对流以符合光源的启动和工作。
LED 光源的工作方向要按照制造商的规定，相互间不受影响。
（2）温度和湿度
1）试验温度：
光度测量之间 LED 要工作在三个基座温度 Ts中的最小温度值，使用相同的驱动电流。三个基座温度 Ts 应是 55ºC和85ºC，还有一个由制造商选择的温度。由制造商选择的基座温度和驱动电流应代表对顾客应用场所的预期，并应在推荐的工作温度范围内。在寿命试验中基座温度应控制到-2ºC，在试验中周围环境空气温度应保持在基座温度-5ºC。
2）试验环境相对湿度：整个寿命试验时间内小于 65%。
（3）电气和热条件
1）电压
输入的电压(rms)和频率要符合驱动器的要求，如用直流的话，纹波电压不超过直流输出电压的 2%。
输入电源的电压波形中的总谐波含量小于基波的 3%。
2）电流
在寿命试验中要监测电流,稳定在额定 rms 值的±3%；
在测量光度性能时,  要稳定在额定 rms 值的±0.5%；
试验 LED 的电流要符合制造商推荐的并与实际工作的一致。
3）辅助设备
外部设备符合制造商规定。
4）基座温度
基座温度是指用热电偶在制造商规定的 LED 光源封装的点上测得的温度。热电偶测量系统应符合 ASTM E230的相关要求。
在寿命测量中一直要监测基座温度 Ts。测量点(热电偶接触点)位于制造商规定的地方。
（4）试验测量过程
试验的由寿命试验和光度（包括色度）试验构成。
寿命试验时应精确记录每次 LED 工作的时间，一旦被测 LED 损坏就停止记时。记时器的不确定度在±0.5%.
在制造商规定的驱动电流下做试验。
推荐用光谱辐射度计测量光度和色度参数。
要在检测报告中提供整个试验过程中的环境温度情况，测量 LED 的流明和颜色时应将
它先冷却到室温，然后在环境温度为 25±2ºC条件下进行。
（5）对 LED 光源流明维持的试验方法
在指定的环境温度下，至少工作 6000 小时，至少每 1000 小时采集一次数据。
为得到预测模型的试验建议工作 10000 小时。
LED 不像它光源，所以不需要含有灭灯的试验循环，在 100%额定值下即可。
在做流明维持的每个间隔过程中最好同时测量颜色的变化。
 
二． 光度学色度学原理
 
1. 辐射量和光学量及其单位
辐射量：纯粹的描述电磁辐射的物理量；
光学量：用视觉感受来度量可见光。
 
（1） 辐射量
辐射能（Qe）：反射、传输、接收的能量，单位焦耳（J）。
辐通量（￠e）：单位时间内的辐射能，单位瓦特（W）。
辐出度（Me）：辐射源单位发射面积发出的辐通量（W/㎡）。
福照度（Ee）：辐射照射面单位受照面积上接收的辐通量（W/㎡）。
辐强度（Ie）：点辐射源在单位立体角发出的辐通量（W/sr）。
 
辐亮度（Le）：辐射源的元面积在θ方向的辐亮度为该辐射面在垂直于该方向的平面上的单位投影面积在单位立体角内发出的辐通量（W/(sr·㎡)）。
 
      
（2） 光学量
与辐射量相对应，有以下的光学量：
光通量（lm）、光出射度（lm/㎡）、光照度（lx）、发光强度（cd）、光亮度（cd/㎡）。
发光强度时国际单位制七个基本量之一，规定为：一个光源发出频率为540*10^12HZ的单色光，在一定方向的辐射强度为：1/683W/sr,则该方向上的发光强度为1cd。
 
2.  光学量和辐射量间的关系
1） 光谱光效率函数
光学量和辐射量间的关系取决于人眼的视觉特性。人眼对不同波长光响应的灵敏度是波
长的函数：明视觉光谱光效率函数V（λ）的峰值λ=5.55×10﹣7m；暗视觉光谱光效率函数V′（λ）的峰值λ=5.07×10﹣7m。
2） 光学量和辐射量间的关系
在很小的波长范围内：
明视觉条件下：d￠v（λ）=Km V（λ）￠e（λ）dλ
暗视觉条件下：d￠v（λ）=（λ）￠e（λ）dλ
Km=683lm/w,   Km′=1755lm/w。
在整个可见光谱范围内：
明视觉：
￠v=KmV（λ）￠e（λ）dλ
暗视觉：
￠v=（λ）￠e（λ）dλ
    
3.  色度学基本知识
黑体：能够全部吸收入射电磁波而不发生反射、透射的物体。
色温：发光体发出的颜色与黑体（基准照明体）加热到某一温度时发出的颜色相同时，该黑体的温度就称为此发光体的
颜色温度，简称色温，单位K。
相关色温：指与具有相同亮度刺激的颜色最相似的黑体辐射体的温度。
显色性：指光源发出的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真实色彩的显现程度，是评价照明光源的一个重要指标。
显色指数：测试光源和参考光源在相同色温下比较目标颜色的相似程度。
特殊显色指数（Ri）：与15种标准照明体比较的显色性符号程度。
一般显色指数（Ra）：与前8种标准照明体比较的显色性符号程度的平均值。即。
 
CIE色度计算方法：
CIE 1931标准色度系统
 
 
 
三．光通量和能效测量
SSL 产品的总光通量应采用积分球系统或分布光度计测量。选择哪个方法视所需测量的量（颜色、光强分布） 、SSL产品的尺寸和其他要求而定。
积分球系统适于测量一体化 LED灯和相对小尺寸 LED灯具的总光通量和颜色。 积分球的优点是测量快，而且不需要暗室。 分布光度计提供了光强分布和总光通量测量方法，它可以测量相对较大的 SSL 产品总光通量，当然也可以用于测
量小尺寸 SSL 产品。空气流动可能影响对温度较敏感 SSL 产品的测量，使用分布光度计法应小心。另外，与积分球相比，用分布光度计测量较费时间。
 
1． 积分球法测量
积分球法包括带光谱辐射计的积分球和带光度计（球-光度计系统）的积分球。
带光度计 （球-光度计系统） 的积分球是利用一个光度计作为积分球的探头的积分球系统，由于在测量 SSL 产品（如未使用误匹配修正）光通量时有潜在的大的光谱误匹配误差，而且颜色量需要使用一个单独的测量装置，所以尽管这个方法可以接受但很少推荐。
 
下面是对光谱辐射计的积分球系统的介绍。
（1） 尺寸应足够大
积分球尺寸应足够大，避免从被测光源引起的额外温升，并减小隔板和被测 SSL 产品自吸收带来的测量误差。
紧凑型灯：大于等于 1m的球。
较大的灯（如：4 英寸线型荧光灯和 HID灯） ：大于等于 1.5m的球。
测量 500W或更大功率的光源：2m或更大的球。
在 4∏球内，SSL 产品的总表面积应不超过球壁总面积的 2%。例如，在一个 2m球内，一个球状物的直径小于 30mm。
线状产品的纵向尺寸应小于球直径的 2/3。
在 2∏球内，安装 SSL 产品的开口直径应小于球直径的 1/3。
（2） 应装有一个辅助灯
辅助灯用于测量被测光源的自吸收，以得到一个自吸收因数α(λ)。
（3） 球壁内部涂层反射率是 90%—98%
（4） 标准灯
测量全光谱辐射通量的标准灯通常是宽光谱的石英卤钨白炽灯，来校准光谱辐射计的全可见区域。对于 2Π球，只要求前射光分布的标准灯。对于 4Π球，通常使用全向光分布的标准灯，但也可以使用前射光分布的标准灯。要注意的是，不同燃点位置会改变白炽灯的光输出。
（5） 测量原理设备（积分球加光谱辐射计）必须参照一个校准到总分光辐射通量的标准进行校准。由于积分球是被包含在这个校准系统里的，就不必了解球的分光通量，通过与参照标准ΦREF(λ)比较，得到被测 SSL 产品总分光辐射通量ΦTEST (λ)：

其中：yTEST (λ)和 yREF (λ)是 SSL 产品在试验时和参照标准的光谱辐射计读数。
α(λ)是自吸收因数，
yaux,TEST(λ)是被测灯不工作、辅助灯工作时光谱辐射计对辅助灯的读数，yaux,REF(λ)是标准灯不工作、辅助灯工作时光谱辐射计对辅助灯的读数。
从测量的总分光辐射通量ΦTEST (λ)（W/nm） ，总光通量ΦTEST [lm]是：

其中 Km=683lm/W
这样就得到了 SSL 产品的光通量。
2.  分布光度计
分布光度计通常用于测量光强分布，这样就能得到总光通量。
分布光度计应是能保持灯具燃点位置不变的结构。因此，只有 C 型分布光度计是可接受的。C 型分布光度计包括移动探头和移动镜子的。应该注意的是镜子类分布光度计存在一个因镜子本身轻微的极化造成的易极化的检测系统。当测量发出极化光的 SSL 产品总光通量时，对极化光的敏感性可以导致很大的误差。在测量这类 SSL 产品时，推荐使用不带镜子的分布光度计。为此，某些分布光度计可以选择在旋转臂上直接安装一个光度头。 为了避免光从分布光度计机械结构件或包括 SSL 产品自身在内的其他表面反射到光度头，应小心地调整。定位装置的旋转应使 SSL 产品受到的热平衡干扰最小。
 
 
（1） 总光通量的测量原理
测量光源的光强分布I（θ，¢），总光通量可通过下式得到

如果光度头以测量照度E（θ，¢）进行校准，

其中 r是光度头参考平面旋转半径。测量光强要求有足够长的光度学半径 r。
 
 
3．发光效能
SSL 产品的发光效能（lm/W） ，是由测得的被测 SSL 产品的总光通量ΦTEST（lm）和测得的输入电功率PTEST（W）的商得到的，见下式：

 
4．LED光通量测试中的问题
   （1）主要的问题：
LED的空间光分布差异大；
光谱分布与标准灯不同；
散热的影响。
（2） 精确测量要求：
     避免中心光束照射球缝等奇异区；
     高反射比涂层：0.90~0.98；
     全光谱法测量，避免光度探头的光谱响应匹配误差；
     TEC恒温控制（器件温度控制）。