LED照明产品光色测量问题探讨

LED照明出现后，有关测量问题一直是热议话题。本文结合广东省质量技术监督局资助的《LED照明产品光色测量准确性和一致性研究》科研课题，通过对光度、色度测量方面及测量设备知识的学习、实践和分析研究，对其中的一些问题提出了自己的看法和观点与大家分享。

一、光色测量用光电转换器件和仪器概述

照明光学测量一般分为光度和色度两方面参数的测量。目前，照明光色参数的测量设备系统中，有相对法测量(例如积分球光色电测量系统等)和绝对法测量(例如光度和色度分布计测量系统、照度计、亮度计等)两大类。

照明工程测量用得多的照度计、亮度计绝大多数仍采用积分法光度探头;照明产品光色参数测量的积分球测量系统中已基本上不使用积分法光度探头而使用分光法光谱仪，先测得光谱功率分布，再由软件计算出总光度参数和总色度参数;照明产品光色分布计测量系统中仍以采用光度探头为主，测量并记录各方向的光度参数，同时由软件可计算得到总光度参数。

此外，大多数光分布计系统都附加有光谱单色仪，包括机械扫描式的，按波长顺序扫描测得某一方向上光谱功率分布，原理上测量精度高, 但速度太慢;或 CCD式的，一次性测得某一方向上光谱功率分布，目前精度较高且速度快;或三刺激值法仪(一次性测得某一方向上红、绿、蓝三原色各功率，速度最快但精度较差，已基本上不符合实验室测量精度要求)来测量各方向的色度参数，并可同时由软件计算得到总色度参数。

无论相对法测量还是绝对法测量，仪器设备出厂前、使用前或使用一段时间后，都必须对其进行定标或校准，而长期的历史已形成了都是用标准白炽灯作校准的标准源，这有很多优点，但也存在一些缺点。无论使用积分法(光度探头)或使用分光法(光谱仪)的测量仪器设备，其中人眼光谱光视效能函数V(λ)(简称“视见函数”)的匹配误差系数f1′是照明光色测量仪器设备中最重要的精度参数，f1′越小，精度就越高。

目前，各照明检验机构和照明企事业单位拥有大量的积分球光谱光色电测量系统和不少的光色分布计测量系统，更有大量的照度计。有国产的，也有进口的，有早期购买的(一般f1′较大)，也有近期购买的(一般f1′较小)。作为绝大多数设备使用者来说一般只知道设备标称的光度探头指标f1′是多少，而不清楚f1′实际是多少。更不知红、绿、蓝各波长和波段中哪些波长和波段的误差分别为多少。这些使得在测量与标准白炽灯光谱分布区别大的照明产品时，可能会产生较大的误差。而且还不知道主要来自哪些波段的测量误差。

有报道称[1]，即使采用目前所见的匹配函数误差系数f1′最精确的光度探头(f1′=0.5%)，对于蓝色波段的测量其误差都非常惊人，见图1。

当然，后面的分析会提到，蓝色波段的测量误差对整个可见光波段的总光通量误差的影响力较小，但对色度误差的影响力会很大。

二、光度测量及设备简述

光度涉及明视觉和暗视觉。人眼是由视网膜的杆状细胞来感受明度(或亮度)的，人眼视见函数V(λ)见图2，其中右边的黑色曲线为明视觉视见函数V(λ)曲线。

除较暗弱照明场合的暗视觉条件和逐渐受到关注的路灯照明场合的中间视觉条件外，大多数照明场合为明视觉条件，其明视觉的视见函数V(λ)参数见表1。

表1 明视觉的视见函数V(λ)数据

可见，人眼对555nm波长的黄绿光最敏感，达到100%的感知。向此波长两边延伸，则敏感度都不断下降。到蓝光波段及红光波段时敏感度很小，到400nm和760nm时敏感度都近似为0，即有辐射功率但人眼无法感知。

(一)积分法光度探头

1.积分法测量仪器设备中的光度探头

测量光色参数都要把光信号转换为电信号进行处理输出或显示，光度探头的组成见图3。光度探头中的光接收-电转换器件的光谱响应特性(其中硅光电二极管的见图4)与视见函数V(λ)相差很大。

因此，需要用多种滤光片与光电转换器件进行组合修正，使之尽可能接近视见函数V(λ)曲线。当然，不可能完全匹配，匹配误差称为视见函数匹配误差系数f1′。

2.校准用的标准灯及标准探头

一直以来，国际、国内光强最高基准绝大多数采用黑体辐射(后期也有采用低温幅射计)，副基准和绝大多数的工作基准都采用与黑体辐射光谱相近的白炽灯。其特点是光谱功率连续平滑，光谱波长越短，辐射功率越小(见图5)。相对于长波段的大辐射功率，蓝色波段的辐射功率已非常小。

虽然高精度的基准校准系统量程宽、线性度好，但不同计量部门的或不同档次的标准灯本身定标时，仍然可能存在因短波长段的光信号强度小，使得产生的小测量误差与光信号强度相比，其比例较大，传递给用户标准灯或设备后，可能会进一步放大误差。用户使用自己的标准灯校准设备后，测量高色温的被测灯时光度误差可能会很大，而且对色度参数测量精度的影响又比光度参数精度的影响更大。

因此，这里引申出一个观点，由于白炽标准灯光谱功率分布特征，用来对通用或兼顾型光度探头/光度计或光谱仪(例如同一个光度探头/光度计既测量传统光源、又测量LED灯等光谱分布差别大的灯)进行校准用的标准源时，我们可以说白炽标准灯本身存在定标能力不足的缺点。尽管长期以来，都使用它，甚至最高基准也类似于它。

理论上来说，对于通用或兼顾型光度探头/光度计或光谱仪的V(λ)的修正，最好的修正方法应该是用连续等幅辐射功率的可见光作标准光源，按一定规则输入进光度探头或光谱仪的输入窗口中，再把得到的电量参数修正到与CIE的V(λ)数据一致的电量参数上去，而后输出显示结果，但这种标准光源在现实中无法得到。

标准探头和标准灯都是由普通光度探头和白炽灯长期发展而来，标准探头与标准灯两者大多都是互为基准或标准进行校准的，并在这种不断相互作用中共同从低精度逐步提升到高精度的。当然，即使发展到现在，也不全是高精度的，也有不同精度档次差别较大的光度探头/光度计或光谱仪商品供用户选购。

3.光度探头的重要性

使用光度探头的测量仪器和系统中，光度探头尺寸一般很小并直接把输入的光量转换为电量，其后是进行电的处理并显示结果。目前电量和显示处理可以做到很高的精度。所以，光度探头的精度基本上就直接决定了整个仪器设备系统的精度。

4.JJG245-2005《光照度计检定规程》有关“V(λ)匹配误差”的规定

①要求照度计V(λ)匹配误差不超过表2。

表2 各级照度计的V(λ)匹配误差要求

②要求使用说明书上应有V(λ)匹配误差等技术指标。

③检定项目要求见表3。

表3 各级照度计的检定项目要求

表3中，无论首次检定还是后续检定等都未列入“V(λ)匹配误差”项目，因此不需要检定，其主要原因可能是检定“V(λ)匹配误差”比较复杂。

④要求定型鉴定、样机试验的试验项目包括V(λ)匹配误差、非线性误差、疲劳误差、红外响应误差、紫外响应误差并见附录A。而附录A中有关“V(λ)匹配误差”是采用非常复杂的计算法，且得出的是总“V(λ)匹配误差”，没有各波长段的“V(λ)匹配误差”。

⑤实际检定中一般采用“附录B”中用上一级标准照度计进行比较，且得到的是示值误差。

从上可见，JJG245-2005《光照度计检定规程》对“V(λ)匹配误差”有要求，而没有各波长或波段的分项要求，也没有对“V(λ)匹配误差”的检定要求。计量部门给企事业单位的光度探头进行传递或校准时，常规校准方法一般是在相同标准条件下采用标准钨丝灯作光源，比较被校准光度探头与标准光度探头的总测量误差，这时是无法给出各光谱波长的正误差与负误差各自多少。这使得光度探头的V(λ)匹配误差虽然可能由于正负误差相互抵消后而总误差不大，但有可能在某些波长或波段的正误差比较大，而另一些波长或波段的负误差比较大，这可能使得用这些光度探头来测量非白炽灯光谱分布的灯或灯具的光色参数时产生很大的总误差。

5. JJF 1150-2006给出的标准光源

JJF 1150-2006《光电探测器相对光谱响应度校准规范》还给出了用标准钨丝灯作标准光源，用高精度单色仪分光扫描各波长，再用标准光度探头与被校准光度探头进行各波长分量的测量误差的比较，测出各波段分误差。被校准光度探头的校准精度，取决于标准钨丝灯、单色仪、标准光度探头等标准物的精度。而用单色仪进行分量校准的成本和花费的时间要大很多，可能只有用户要求的高精度探头校准时才会使用。

6.德国照度计标准DIN5032-7匹配误差系数f1′

表4 德国照度计标准DIN5032-7匹配误差系数f1′

......　　————本文节选自第8期《半导体照明》杂志)