LED路燈全空間快速分布光度計系統

摘要：
   總光通量、空間顏色均勻性、空間光強分布及眩光評價和近場分布特性等均是LED路燈極為重要的指標，包括轉鏡分布光度計在內的傳統測量設備只能部分實現以上參數的測試，不能提供全面的測量和評價，快速、精確、全面測量以上技術指標，遇到了前所未有的挑戰。在國家863計劃項目的持續支持下，我國在LED全空間光分布測量技術方面取得了舉世矚目的成就，擁有核心自主知識產權的相應設備也已成功開發，并出口國際高端市場，受到國際照明委員會(CIE)等國際組織的高度肯定。本文將作具體介紹。

關鍵詞：總光通量、空間光強分布、空間光譜分布、眩光、全空間分布光度計

一. 概述
   LED產品對溫度十分敏感；LED產品光束一般較窄，經過二次光學設計的LED路燈系統的空間光分布更為復雜；同時由于LED光源和燈具往往采用一體化設計，傳統的相對測量光通量的方法不再適用，而光通量和光強分布的絕對測量對其方法和設備則要求更高。LED路燈總光通量的絕對精確測量關系到是否能正確評價其發光效率（效能）和絕對光強分布。
受其發光機制的影響，白光LED具有較為明顯的空間光色不均勻性，即在不同的視角上表現出不同的顏色，若二次光學設計不當，這一現象會更為明顯，因此空間顏色均勻性測量對于LED路燈也十分重要。
    對于LED路燈而言，亮度和可能造成的眩光也是極為重要的指標，但由于其發光區域內亮度分布很不均勻，反射面形狀復雜，傳統的檢測和評價方法在解決LED路燈的亮度和眩光問題遇到了更大困難。
    此外，LED路燈二次光學設計又極需要LED的近場分布數據，設計師需要知道光從哪里射出，射向什么方向，光線光通量是多少，這些數據是傳統分布光度計根本不能提供的。
   上述問題給LED路燈的快速精確的光學測試帶來了前所未有的挑戰。我國科技部早在“十五”期間就開始布置相關的國家863計劃項目，以應對LED高速發展所帶來的標準與檢測所帶來的挑戰，經過國家863項目的持續支持，我國在LED檢測領域取得了舉世矚目的成就，其中，擁有核心自主知識產權的全空間光分布測量技術及相應檢測設備――全空間快速分布計系統已成功開發，并出口國際高端市場。我國在該領域的研究成果在國際照明委員會(CIE)等國際權威學術和標準化組織發表后[1]，受到了高度重視，CIE已決定，由全空間光分布測量技術的多項發明專利設計者杭州遠方光電信息有限公司潘建根教授級高工主持《LED燈具測量方法》技術報告[2]，以實現CIE對LED燈具測量方法的標準化。
二、LED全空間光分布測量技術基本原理
   基于CIE經典測光理論，通過研究攻關， LED路燈的總光通量、空間顏色均勻性、空間光強分布及眩光評價和近場分布特性等可以通過以下測量方案解決：
1、總光通的精確測量（基準級測量方法）
   如圖1所示，探測器D1為光度探頭，構成緊湊型分布光度計，典型的測量距離為2~3m，適合測量小尺寸及發光較弱的光源或燈具的光強分布；更重要的是，它能夠使用照度積分法測量各種尺寸光源和燈具的總光通量，該方法是CIE技術報告確認的準確的方法（總光通量基準測量方法）[3]。
2、近場光分布測量
   如圖1所示，當探測器D1是能測量光源或燈具發光面內各點亮度的成像亮度計時，可構成近場分布光度計，它能精確測量被測光源在空間各方向上的亮度分布，評價光源或燈具的眩光，并能通過專用分析軟件利用光線追蹤和校正方法計算出無窮遠場的光強分布，同過遠場校準和軟件分析，可解析在空間任一截面的光照度分布。

（a）緊湊型分布光度計示意圖        (b) 近場測量的側視圖     （c）分布光譜輻射計示意圖
                      圖1：緊湊型分布光度計、近場測量和分布光譜輻射計示意圖
3、空間光譜輻射分布的測量
    如圖1所示，當探測器D1是快速光譜輻射計時，構成分布光譜輻射計。它能測量被測光源的空間光譜分布，并通過專用軟件準確計算得到被測光源的平均色度特性以及空間顏色不均勻性。
4、遠場測量
    如圖2所示，探測器D3接收經旋轉反射鏡M1和固定反射鏡M2兩次反射的光束，實現遠場測量，典型測量距離為30米。適用于包括投光燈等光束角窄、尺寸大的燈具的光強分布測量。
 
圖2：同時實現遠場和近場測量的分布光度計示意圖
5、準遠場測量
    如圖3所示，同步旋轉的探測器D2接收經旋轉反射鏡反射的光束，實現準遠場測量，典型測量距離為15米左右。適用于測量大尺寸寬光束角的光源或燈具的光強分布，如室內燈、道路燈等

圖3：同時實現準遠場和近場測量的分布光度計示意圖
6、全空間光度
    如圖4所示，在同一分布光度計系統同時配備上述系統各功能模塊，可構成功能十分完整的全空間快速分布光度計系統，由于每個探測器的測量都具有各自優勢，因此系統通過不同探測器的全空間互校，實現優勢整合，可進一步提高測量精度。 同時，可通過全空間光場追蹤運算，可實現任一截面內的光度分布和空間光譜輻射分布的解析。

圖4：同時實現近場、準遠場和遠場測量的典型全空間快速分布光度計示意圖
    綜合具備上述全部功能的全空間快速分布光度計實現了前所未有技術性能，在LED和LED燈具高端測量領域具備獨特技術優勢，它必將成為LED和LED燈具測量的完整解決方案。 
三、全空間分布光度計設備與應用

圖5：GO-R5000全空間快速分布光度計實物圖片
    如圖5所示為杭州遠方光電信息有限公司在國家863(高技術研究發展計劃)項目支持下，成功開發的GO-R5000 全空間快速分布光度計系統實物圖片，已取得了多項國家發明專利，她完整擁有上述全空間分布光度計系統的所有功能，整體水平處于國際領先地位。較傳統的臥式分布光度計和轉鏡分布光度計，她具備以下技術優勢：
  （1）光源絕對穩定（比傳統中心反射鏡式分布光度計約高10倍）；                
  （2）極快的測量速度（在相似測量精度下，比傳統中心反射鏡式分布光度計約快6倍）；
  （3）靈活配置實現多場多功能測量（六合一）；     
  （4）極寬動態范圍（比以往絕大多數分布光度計至少寬100倍）；
  （5）可實現總光通量的更高精度（基準級）測量；  
  （6）極高的角度精度；
  （7）極低的雜散光；                            
  （8）節約空間；
  （9）極高性能價格比。
   GO-R5000全空間快速分布光度計系列產品目前已出口英國、意大利、德國、澳大利亞、土耳其、巴西、美國、臺灣等多個國家和地區，美國GE公司、臺灣工業技術研究院、英國Cooper 公司、意大利REGGIANI公司和我國多家質檢機構、科研機構和大型LED和LED路燈制造企業等都已經建立了以GO-R5000系列產品為核心的高端測光實驗室。
四、小結
    本文簡要介紹了LED和LED路燈全空間快速分布光度計系統的基本組成和主要性能，實踐表明，全空間分布光度計已能較為完整地解決了LED和LED燈具的總光通量、空間顏色均勻性、空間光強分布及眩光評價和近場分布特性等復雜光學參數的測量和表征，相關核心技術我國擁有自主知識產權，受到了包括CIE在內的國際權威學術和標準化組織的高度重視和肯定。

參考文獻：
[1] Jiangen Pan et al. The tri-field goniophotometer，CIE 2009 Light and Lighting Conference
[2] Summary of 2009 CIE Division 2 Meeting Budapest, Hungary, June 3, 2009
[3] CIE 84-1989 Measurement of flux