LED照明产品光电色性能检测方法研究

近年来，随着LED技术的持续发展，大功率半导体照明器件在近年来得到了飞速的发展，特别是白光功率和光效不断提高，LED逐步进入照明领域，引发了一场新的照明技术领域的革命。LED经过不同方式排列组合和光学设计，形成了各式各样的LED照明产品，而LED照明产品的研究、开发在我国正如火如荼的进行，LED照明产品的性能水平也在逐步提高。 　　在采用正确试验方法的前提下，准确测量LED照明产品的光电色性能参数是科学评价产品性能、质量现状和发展趋势的基础。针对LED照明产品光电色性能检测现状，笔者结合所在中心在检测LED产品工作中的积累，对LED照明产品光电色性能的检测方法做了梳理和总结。 　　一、LED照明产品性能指标的一般评价 　　1.LED照明产品的分类 　　目前LED照明产品主要可分为LED照明灯具(例如：LED道路灯具、LED投光灯具、嵌入式LED灯具、LED隧道灯具、LED装饰灯具、LED台灯)和传统照明光源替代品LED灯(例如：自镇流LED灯、MR16、PAR灯、直管形LED荧光灯T8/T12等)。LED照明灯具是包括基于LED发光元件和匹配的驱动器，配光部件、固定和保护发光元件的部件以及将器具连接到分支电路部件的完整照明器具。照明用LED灯又可分为非整体式LED灯和整体式LED灯两类。 　　非整体式LED灯包含有LED阵列(模块)或者LED封装(元件)和标准灯头以及其他光度、热学、机械和电气元件的组件。该LED灯需安装在有标准灯座和LED驱动器的灯具内使用。该LED灯不能直接与分支电路连接。 　　整体式LED灯包含有LED阵列(模块)或LED封装(元件)、LED驱动器、标准灯头以及其他光度、热学、机械和电气元件的整体组合。该LED灯可直接安装在标准化的灯座上使用，它能直接与分支电路连接。LED灯与LED照明灯具的最大区别是LED灯需安装在标准灯座内使用。 　　2.LED照明灯具与传统光源灯具的差异 　　目前LED照明灯具与传统光源灯具在诸多方面存在着不同。首先，传统光源灯具的寿命可以通过替换损坏的光源、灯的控制装置来满足要求，所以一般不评价传统光源灯具的寿命。LED照明灯具是LED光源与灯具外壳一体的，目前LED照明灯具的寿命与LED光源本身寿命、LED驱动器以及灯具提供给LED的环境等诸多因素有关。对不同的LED灯具，其寿命只有通过相关的寿命特性评价才能确定。 　　其次，与传统光源灯具不同，LED照明灯具是使用多个LED光源或模块发光体组成并发光的，LED灯具中的发光体之间存在颜色差异性，需要使用色空间均匀度评价来评价LED灯具颜色的空间分布情况，评价LED灯具存在的不同观察角颜色差异。 　　再次，传统照明光源可单独进行光度测试，光度测量时可以使用相对法。由于LED灯具一体化和LED光源对温度极其敏感的特点，不适宜将LED光源从灯具内分离出来单独测量，光度测量时应采用绝对法对LED灯具整体进行光度测试。 　　第四，传统照明灯具用灯具效率来评价，而LED灯具使用能效或光效来评价。 　　3.LED照明产品性能指标的一般评价 　　照明产品性能指标的一般评价内容主要包含：光特性;电特性、颜色特性、热特性、寿命特性、可靠性等。目前评价LED照明产品性能指标主要包含有以下几方面： 　　(1)光特性主要包括：光强分布、初始输出能效(光效)/光通量、光强/照度; 　　(2)电特性主要包括：灯功率、功率因数; 　　(3)颜色特性主要包括：相关色温、显色指数、色品坐标、色品容差、主波长(单色)、颜色分布不均匀性和色空间均匀度; 　　(4)热特性主要包括热阻和结温; 　　(5)寿命特性主要包括开关次数试验、寿命/加速寿命试验、流明维持率(光通量维持率)/光强维持率(反光杯式MR16或PAR灯); 　　(6)可靠性试验。 　　二、LED照明产品光电色性能的检测方法 　　由于目前关于LED照明产品的热特性、寿命特性和可靠性的相关标准正在研讨和起草中，所以本文重点讨论LED照明产品光电色性能的检测方法。下面分LED照明灯具和LED灯两大系列来讨论。 　　1.LED照明产品测试环境和物理条件 　　LED照明产品往往都有光学部件，所以要在相对干净的环境中储存和试验，产品上的透镜要干净没有手印。试验的环境不能有过分的震动和冲击，减小空气对流。由于LED照明产品性能参数对温度较为敏感，在试验中周围环境空气温度和湿度应满足对应标准中规定的环境要求。环境温度为25℃±1℃(开关寿命试验为5℃±5℃)最大相对湿度为65%，无对流风。产品的工作姿态应按照制造商规定的工作姿态或实际使用姿态，以免不当的工作姿态影响散热，进而影响光电参数。LED照明产品需要足够长的时间达到温度平衡。一般LED灯需稳定30分钟，大型LED照明灯具需2小时以上达到温度平衡。温度平衡的判断原则：15分钟内照度变化小于0.5%即可认为达到了温度平衡。 　　2.LED照明灯具的光电色性能检测 　　LED照明灯具的光电色性能主要参数包括：灯具总功率、功率因数、光强分布、灯具总输出光通量、输出光效、流明维持率/光通量维持率、相关色温、显色指数、色容差、色坐标、色品的空间不均匀度等。 　　(1)在同时装有分布光谱辐射计的分布光度计上通过一次测量几乎可得到所有性能参数的结果。分布光谱辐射计主要测试灯具的颜色特性和色空间分布情况，分布光度计主要测试光分布、光通量等参数。分布光度计的测试原理可参考标准GB/T9468-2008《灯具分布光度测量的一般要求》。 　　(2)目前很多检测机构的光特性参数(光分布、光通量)和颜色特性参数是分别用分布光度计和积分球系统测得数据。所有使用分布光度计测试灯具时，灯具夹装务必使LED灯具光中心与机械轴中心重合，同时尽量使灯具处于正常工作姿态。在用积分球系统测试颜色特性时，灯具不一定要处于积分球中心位置。 　　(3)LED灯具的光通量也可用积分球系统来测量，理想状态是将LED灯具置于积分球顶部，并使所有输出光进入积分球内，同时还可测得灯具的颜色参数。目前现有的积分球开口位置绝大多数在侧面，为此我所专门采购了美国蓝菲公司的旋转式2米积分球系统用于LED照明产品的光色检测。积分球的2p开口可以根据需要在任意位置停止，从而实现待测样品在任意位置进行测量，满足能源之星LM-79测试要求。 　　目前检测机构对于LED灯具的光电色性能检测主要采用上述(1)、(2)两种模式。用分布式光度计测量最大缺点是测试时间太长，测试效率太低。 　　3.LED灯的光电色性能检测 　　LED灯的光电色性能主要参数包括：灯功率、功率因数、光通量、输出光效、光通量维持率、相关色温、显色指数、色品容差、色坐标和反光杯式MR16或PAR灯的光束角、光强和光强维持率等。 　　(1)配有辅助灯的积分球系统可以快速测得LED灯的所有这些光电色性能参数。先将LED灯置于积分球中心，在LED被测灯不点亮的情况下用点亮的辅助灯测试一次。熄灭辅助灯并点亮被测LED灯，稳定后再测试一次，得到被测灯的颜色特性参数，并通过软件自动计算得到被测LED灯的光通量。若积分球内不配有辅助灯，LED灯体本身会吸收部分反射光，光通量值会存在一些误差。同时积分球内壁还应具有较高反射率：90%~98%。目前绝大部分检测机构内的积分球系统无辅助灯，积分球内壁反射率低于90%，这些积分球系统不能精确测量LED灯的光通量。 　　(2)LED灯的光通量也可用分布光度计来测量，测试时γ角度范围要选180°，灯中心与机械轴中心重合。缺点是测试时间太长。 　　(3)反光杯式MR16或PAR灯的光束角、光强可通过小型卧室分布光度计来测得。测试时，机械轴和光轴要一致。缺点是测试姿态为非正常工作状态，需对测试结果做修正。 　　三、总结 　　LED照明产品光电色性能参数测量可采用分布光度计或积分球系统测量，也可搭配使用。具体选择哪个方法视所需测量的量(颜色特性、光特性)、产品的尺寸和其他要求而定。总体上，配有辅助灯的积分球系统适于测量一体化LED灯和相对小尺寸LED灯具的光特性和颜色特性参数。积分球系统测试的优点是测量快，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LED照明产品，当然也可以用于测量小尺寸LED照明产品。注意试验环境要求，空气流动可能影响对温度较敏感LED照明产品的测量。使用分布光度计法应注意正确夹装定位。 　　安装在分布光度计上的高精度光谱辐射计可不经过镜子反射直接测出颜色的空间分布。与积分球相比，用分布光度计测量较费时间。在正确试验方法前提下，通过合理选择检测方法达到准确测量LED照明产品的光电色性能参数，为科学评价LED照明产品性能质量现状和发展趋势提供数据支撑。