LED路燈全空間快速分布光度計(jì)系統(tǒng)

摘要：
   總光通量、空間顏色均勻性、空間光強(qiáng)分布及眩光評(píng)價(jià)和近場(chǎng)分布特性等均是LED路燈極為重要的指標(biāo)，包括轉(zhuǎn)鏡分布光度計(jì)在內(nèi)的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備只能部分實(shí)現(xiàn)以上參數(shù)的測(cè)試，不能提供全面的測(cè)量和評(píng)價(jià)，快速、精確、全面測(cè)量以上技術(shù)指標(biāo)，遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目的持續(xù)支持下，我國(guó)在LED全空間光分布測(cè)量技術(shù)方面取得了舉世矚目的成就，擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相應(yīng)設(shè)備也已成功開發(fā)，并出口國(guó)際高端市場(chǎng)，受到國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)等國(guó)際組織的高度肯定。本文將作具體介紹。

關(guān)鍵詞：總光通量、空間光強(qiáng)分布、空間光譜分布、眩光、全空間分布光度計(jì)

一. 概述
   LED產(chǎn)品對(duì)溫度十分敏感；LED產(chǎn)品光束一般較窄，經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計(jì)的LED路燈系統(tǒng)的空間光分布更為復(fù)雜；同時(shí)由于LED光源和燈具往往采用一體化設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量光通量的方法不再適用，而光通量和光強(qiáng)分布的絕對(duì)測(cè)量對(duì)其方法和設(shè)備則要求更高。LED路燈總光通量的絕對(duì)精確測(cè)量關(guān)系到是否能正確評(píng)價(jià)其發(fā)光效率（效能）和絕對(duì)光強(qiáng)分布。
受其發(fā)光機(jī)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(xiàn)出不同的顏色，若二次光學(xué)設(shè)計(jì)不當(dāng)，這一現(xiàn)象會(huì)更為明顯，因此空間顏色均勻性測(cè)量對(duì)于LED路燈也十分重要。
    對(duì)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(biāo)，但由于其發(fā)光區(qū)域內(nèi)亮度分布很不均勻，反射面形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)的檢測(cè)和評(píng)價(jià)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(xué)設(shè)計(jì)又極需要LED的近場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)是傳統(tǒng)分布光度計(jì)根本不能提供的。
   上述問題給LED路燈的快速精確的光學(xué)測(cè)試帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。我國(guó)科技部早在“十五”期間就開始布置相關(guān)的國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目，以應(yīng)對(duì)LED高速發(fā)展所帶來的標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)所帶來的挑戰(zhàn)，經(jīng)過國(guó)家863項(xiàng)目的持續(xù)支持，我國(guó)在LED檢測(cè)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，其中，擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全空間光分布測(cè)量技術(shù)及相應(yīng)檢測(cè)設(shè)備――全空間快速分布計(jì)系統(tǒng)已成功開發(fā)，并出口國(guó)際高端市場(chǎng)。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究成果在國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)等國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)表后[1]，受到了高度重視，CIE已決定，由全空間光分布測(cè)量技術(shù)的多項(xiàng)發(fā)明專利設(shè)計(jì)者杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司潘建根教授級(jí)高工主持《LED燈具測(cè)量方法》技術(shù)報(bào)告[2]，以實(shí)現(xiàn)CIE對(duì)LED燈具測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)化。
二、LED全空間光分布測(cè)量技術(shù)基本原理
   基于CIE經(jīng)典測(cè)光理論，通過研究攻關(guān)， LED路燈的總光通量、空間顏色均勻性、空間光強(qiáng)分布及眩光評(píng)價(jià)和近場(chǎng)分布特性等可以通過以下測(cè)量方案解決：
1、總光通的精確測(cè)量（基準(zhǔn)級(jí)測(cè)量方法）
   如圖1所示，探測(cè)器D1為光度探頭，構(gòu)成緊湊型分布光度計(jì)，典型的測(cè)量距離為2~3m，適合測(cè)量小尺寸及發(fā)光較弱的光源或燈具的光強(qiáng)分布；更重要的是，它能夠使用照度積分法測(cè)量各種尺寸光源和燈具的總光通量，該方法是CIE技術(shù)報(bào)告確認(rèn)的準(zhǔn)確的方法（總光通量基準(zhǔn)測(cè)量方法）[3]。
2、近場(chǎng)光分布測(cè)量
   如圖1所示，當(dāng)探測(cè)器D1是能測(cè)量光源或燈具發(fā)光面內(nèi)各點(diǎn)亮度的成像亮度計(jì)時(shí)，可構(gòu)成近場(chǎng)分布光度計(jì)，它能精確測(cè)量被測(cè)光源在空間各方向上的亮度分布，評(píng)價(jià)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(jì)算出無窮遠(yuǎn)場(chǎng)的光強(qiáng)分布，同過遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)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(jì)示意圖        (b) 近場(chǎng)測(cè)量的側(cè)視圖     （c）分布光譜輻射計(jì)示意圖
                      圖1：緊湊型分布光度計(jì)、近場(chǎng)測(cè)量和分布光譜輻射計(jì)示意圖
3、空間光譜輻射分布的測(cè)量
    如圖1所示，當(dāng)探測(cè)器D1是快速光譜輻射計(jì)時(shí)，構(gòu)成分布光譜輻射計(jì)。它能測(cè)量被測(cè)光源的空間光譜分布，并通過專用軟件準(zhǔn)確計(jì)算得到被測(cè)光源的平均色度特性以及空間顏色不均勻性。
4、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量
    如圖2所示，探測(cè)器D3接收經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡M1和固定反射鏡M2兩次反射的光束，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，典型測(cè)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(qiáng)分布測(cè)量。
 
圖2：同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)測(cè)量的分布光度計(jì)示意圖
5、準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量
    如圖3所示，同步旋轉(zhuǎn)的探測(cè)器D2接收經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡反射的光束，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，典型測(cè)量距離為15米左右。適用于測(cè)量大尺寸寬光束角的光源或燈具的光強(qiáng)分布，如室內(nèi)燈、道路燈等

圖3：同時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)測(cè)量的分布光度計(jì)示意圖
6、全空間光度
    如圖4所示，在同一分布光度計(jì)系統(tǒng)同時(shí)配備上述系統(tǒng)各功能模塊，可構(gòu)成功能十分完整的全空間快速分布光度計(jì)系統(tǒng)，由于每個(gè)探測(cè)器的測(cè)量都具有各自優(yōu)勢(shì)，因此系統(tǒng)通過不同探測(cè)器的全空間互校，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)整合，可進(jìn)一步提高測(cè)量精度。 同時(shí)，可通過全空間光場(chǎng)追蹤運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)任一截面內(nèi)的光度分布和空間光譜輻射分布的解析。

圖4：同時(shí)實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)、準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的典型全空間快速分布光度計(jì)示意圖
    綜合具備上述全部功能的全空間快速分布光度計(jì)實(shí)現(xiàn)了前所未有技術(shù)性能，在LED和LED燈具高端測(cè)量領(lǐng)域具備獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它必將成為L(zhǎng)ED和LED燈具測(cè)量的完整解決方案。 
三、全空間分布光度計(jì)設(shè)備與應(yīng)用

圖5：GO-R5000全空間快速分布光度計(jì)實(shí)物圖片
    如圖5所示為杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司在國(guó)家863(高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃)項(xiàng)目支持下，成功開發(fā)的GO-R5000 全空間快速分布光度計(jì)系統(tǒng)實(shí)物圖片，已取得了多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，她完整擁有上述全空間分布光度計(jì)系統(tǒng)的所有功能，整體水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位。較傳統(tǒng)的臥式分布光度計(jì)和轉(zhuǎn)鏡分布光度計(jì)，她具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
  （1）光源絕對(duì)穩(wěn)定（比傳統(tǒng)中心反射鏡式分布光度計(jì)約高10倍）；                
  （2）極快的測(cè)量速度（在相似測(cè)量精度下，比傳統(tǒng)中心反射鏡式分布光度計(jì)約快6倍）；
  （3）靈活配置實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)多功能測(cè)量（六合一）；     
  （4）極寬動(dòng)態(tài)范圍（比以往絕大多數(shù)分布光度計(jì)至少寬100倍）；
  （5）可實(shí)現(xiàn)總光通量的更高精度（基準(zhǔn)級(jí)）測(cè)量；  
  （6）極高的角度精度；
  （7）極低的雜散光；                            
  （8）節(jié)約空間；
  （9）極高性能價(jià)格比。
   GO-R5000全空間快速分布光度計(jì)系列產(chǎn)品目前已出口英國(guó)、意大利、德國(guó)、澳大利亞、土耳其、巴西、美國(guó)、臺(tái)灣等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，美國(guó)GE公司、臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院、英國(guó)Cooper 公司、意大利REGGIANI公司和我國(guó)多家質(zhì)檢機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)和大型LED和LED路燈制造企業(yè)等都已經(jīng)建立了以GO-R5000系列產(chǎn)品為核心的高端測(cè)光實(shí)驗(yàn)室。
四、小結(jié)
    本文簡(jiǎn)要介紹了LED和LED路燈全空間快速分布光度計(jì)系統(tǒng)的基本組成和主要性能，實(shí)踐表明，全空間分布光度計(jì)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(qiáng)分布及眩光評(píng)價(jià)和近場(chǎng)分布特性等復(fù)雜光學(xué)參數(shù)的測(cè)量和表征，相關(guān)核心技術(shù)我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，受到了包括CIE在內(nèi)的國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化組織的高度重視和肯定。

參考文獻(xiàn)：
[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