摘 要：用积分球和光谱仪测量光源和灯具的颜色，用分布光度计测量光源和灯具的光强分布，已沿用数十年，技术已相当成熟，但是，近年来新光源摘 要：用积分球和光谱仪测量光源和灯具的颜色，用分布光度计测量光源和灯具的光强分布，已沿用数十年，技术已相当成熟，但是，近年来新光源的快速发展，其光电性能比传统光源更为复杂，简单的积分球和光谱仪相结合的测量方法已不能满足新型光源颜色特性的测量需要，同样，由于新型光源发光颜色存在空间分布不均匀性，简单的分布光度计因不能测量颜色分布，也已不能满足颜色空间分布特性测量要求，给光源和灯具的精确测量带来了新的挑战，光源和灯具光色空间分布测量最近在国际上受到了高度关注。本文介绍了光源和灯具的光色空间分布的高精度测量方法，同时介绍了由高精度快速光谱辐射计和双镜双探分布光度计构成的高精度分布光谱辐射计，给出具体灯具的实测结果与分析。本文介绍的光色空间分布测量方法以及测量设备不仅能够全面评价光源和灯具的光度和色度性能，而且还可以为光源和灯具光色性能精确物理描述提供最为详尽的客观数据，对于新光源和灯具的评价、研发和推广应用有重要意义。关键词：光谱仪，分布光度计，空间分布，高精度1. 概述随着绿色照明工程的展开，新的光源和照明技术层出不穷，其中发光二极管(LED)被认为是最有前景的光源，世界各国都在半导体照明领域投入了大量的人力和物力。然而，由于发光机制的不同，包括LED在内的新型光源和灯具的发光特性与传统光源和灯具往往存在较大的差异。以白光LED为例，最常用的白光LED技术是使用蓝色芯片激发黄绿色荧光粉。除了蓝光芯片的发光会随着温度和时间而变化外，芯片上荧光粉的分布也不均匀，因此单颗白光LED本身就存在在空间光色不均匀的现象。更为重要的是，由于LED往往以阵列方式组合在一起以达到白炽灯或荧光灯的照明效果，若所使用的各颗LED间存在较大的发光差异或者设计不当，会造成光源或灯具的严重的光色不均匀，即在不同的视角上表现出不同的光色特征，影响照明效果。因此对LED光源与灯具来说，空间光色测量尤为重要，本文着重研究这项新的性能指标和测量方法，事实上，光源和灯具的空间光色测量也是目前备受国际专家关注的热门课题1,2。2. 光源与灯具的空间光色测量和空间光谱辐射度计由于LED光源的发光具有较强的方向性；LED的相对光谱功率分布与用于定标的标准灯之间存在较大差异；光色分布不均匀；温度依赖性强等复杂的光电特性，简单的积分球和光谱仪相结合的测量方法已不能满足这种新型光源颜色特性的测量。而现有的分布光度计不能测量颜色分布，也不能满足空间颜色分布特性的测量要求。另外，准单色光的LED光源及其灯具的光度测量对光度探头的V()匹配函数的要求很高，即使V()失匹配系数f1值较小的精密光度探头测量某些LED光度时，误差也可能较大！空间光谱辐射计用来测量光源或灯具的空间光强、光谱和颜色分布，较好地克服了上述困难。空间光谱辐射计由分布光度计和光谱辐射计组成，用快速光谱辐射计代替分布光度计中的光度探头。为精确测量光源或灯具的空间光色性能，所采用的分布光谱辐射计应该至少满足以下要求：分布光度计的设计满足CIE 121-1996 以及相关国际或国家标准的要求；分布光度计转台的角度精度高于0.1，且最小的角度步长小于0.1；反光镜的光谱反射选择性曲线应该尽量平坦；精确控制测量距离；光谱辐射计具备同步采样功能以实现光谱辐射测量与分布光谱辐射计的转动角度同步；光谱辐射计色品坐标测量准确度优于0.003，分辨率和复现性优于0.001；光谱辐射计用满足测量要求的光谱辐射强度或照度标准灯严格校准；光谱辐射计的线性动态范围满足测量要求。本文中采用的分布光谱辐射计由远方公司自主研发的GO-R3000 2M2D双镜双探分布光度计和HAAS-2000高精度快速光谱辐射计组成。如图1所示，GO-R3000 2M2D分布光度计的第一基座上有两个自由度的旋转，一是转臂带动转臂上的旋转反光镜和光学接收器绕分布光度计的主轴（轴）旋转，一是安装被测光源或灯具绕垂直于主轴的自转轴（C轴）旋转，第二基座上设置面对第一基座的固定反光镜。GO-R3000可以实现近场和远场两种测量距离，近场测量为光学接收器面对被测光源或灯具，直接接收来自被测光束，实现小光源的测量，这也是光源或灯具总光通量测量最精确的方法；远场测量为来自被测光源或灯具的光束依次被旋转反光镜和固定反光镜反射后到达光学接收器，实现大尺寸光源或灯具的测量。光学接收器是指光谱辐射计的采样端口或者光度探头，两种测量距离的可以由两个不同的光学接收器实现，也可以由同一个光学接收器通过调整姿态实现。GO-R3000 2M2D分布光度计采用了专利光学和机械设计，原理上克服了以往分布光度计中存在的缺陷，具有独特优势：被测光源或灯具在测量过程中保持最佳的稳定状态；反光镜、光学接收装置始终保持绝对的天然同步；两反光镜折返光路，节约空间；两种测量距离实现极宽动态测量范围杂散光小；测量速度快，角度精度高等。HAAS-2000高精度快速光谱辐射计也是远方公司研制的高端快速光谱辐射计，应用了专利设计的带通色轮校正技术和分光-积分相结合的技术，并采用高精度凹面衍射光栅和科学级背射式CCD，整个仪器在各方面的性能指标都达到了世界领先水平，可以实现毫秒级的测量速度，0.3%的光度线性，0.01mcd的灵敏度，0.0015x,y 的色坐标精度和1.010-4的杂散光控制水平，完全满足空间光谱辐射计的测量需要。3. 测量方法测量须在标准的测光暗室中进行，测量条件符合CIE 121-1996的规定，通过分布光谱辐射计的转台在两个自由度方向上的旋转，在近场或远场条件下使用高精度快速光谱辐射计测量LED光源或灯具在各个方向上光度和相对光谱功率分布。4. 平均颜色不均匀度和最大颜色不均匀度使用分布光谱辐射计可以得到光源或灯具的最为全面的光色性能参数，但相应的数据处理和利用极具挑战性。设空间测量的C平面间隔为5，角度步长g为1，光谱分布曲线测量采样间隔为5nm，那么每次完整的空间光色性能测量至少会产生2,073,600个数据，即使各个角度上测得的光谱功率分布转化为颜色参数后，整个空间颜色分布和光强分布的数据量仍然很大，并且不方便对光源或灯具评价与交流。为此提出两项参数来方便直观地表征光源或灯具的颜色分布不均匀性，即平均颜色不均匀度(ACN)和最大颜色不均匀度(MCN)。平均颜色的不均匀度是指光源或灯具全部光混合后的平均颜色与参考轴(g=0)方向发光颜色的色品容差。最大颜色的不均匀性是指光源或灯具在全部半峰光束角内的任意方向的发光颜色与参考轴方向发光颜色的色品容差的最大值。平均颜色的色度参数是通过数值加权求和或积分的方式计算出来的，计算公式如下：使用HAAS-2000高精度快速光谱辐射计在远场条件下测量LED路灯在空间各个方向上的光谱功率分布，并根据上文的公式计算路灯的空间色坐标分布，空间色温分布，和空间颜色分布以及ACN值和MCN值。被测LED路灯的空间色坐标(x, y)空间分布分别如图3的(x)，(y)所示。从图中可以明显地看出空间色坐标的不均匀性。LED路灯的空间颜色分布如图5所示。从图5中可以看出，空间颜色不均匀的现象很显著，通过计算得到ACN值和MCN值分别为3.8和8.5。5. 结论与传统光源相比，LED光源的光电特性更为复杂，使用传统光源的测量方法和测量仪器已经不能完全描述新光源及其灯具的光色性能，并且测量精度不能得到充分的保证。本文介绍了精确测量光源和灯具空间光色性能的方法和设备，同时引入了平均颜色不均匀性和平均色度不均匀性两个用以表征空间色度分布不均匀性的物理量。在此基础上，还对一个LED路灯进行了实测和分析。分析表明对于LED光源和灯具，测量其空间光度和色度参数是十分必要的，随着LED技术的迅速发展，LED光源和灯具的广泛应用，有关于LED的检测方法和仪器也必须要同步发展，以适应研究和市场的需要。参考文献：1. C.C. Miller, Y. Zong, and Y. Ohno, LED Photometric Calibrations at the National Institute of Standards and Technology and Future Measurement Needs of LEDs. Proc. SPIE Fourth International Conference on Solid State Lighting, Denver, CO, 5530, 69-79, 2004.2. G. Sauter. Gonioradiometry of Luminescent Diodes. Metrologia, 28(3), 239-242, 1991.3. CIE 121-1996. The photometry and goniophotometry of luminaires.4. CIE 15.3-2004. Colorimetry, the 3rd edition.