普通照明用LED模塊顏色特性測量檢測技術(shù)

一、 檢測原理

LED模塊的顏色特性測量基于色度學(xué)與光度學(xué)的基本原理。核心在于量化人眼對光顏色的感知，該感知由視網(wǎng)膜上三種錐狀細(xì)胞的相對刺激量決定，并通過照明委員會（CIE）建立的標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)表征。

1. 光譜輻射度法：此為基礎(chǔ)且精確的原理。通過光譜輻射度計測量LED模塊在空間固定方向上的光譜功率分布（SPD）。SPD是光輻射功率隨波長變化的函數(shù)，包含了顏色特性的全部信息。

   • 色坐標(biāo)計算：將測得的SPD與CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者函數(shù)（如CIE 1931 2°視場XYZ三刺激值函數(shù)）進(jìn)行加權(quán)積分，計算出三刺激值X, Y, Z。再通過公式x=X/(X+Y+Z), y=Y/(X+Y+Z)得到在CIE 1931色品圖上的色坐標(biāo)（x, y）。亦可采用CIE 1976 UCS均勻色品圖坐標(biāo)（u', v'）。

   • 相關(guān)色溫計算：對于白光LED，其色品坐標(biāo)點與普朗克黑體輻射軌跡進(jìn)行比較，找到接近的黑體軌跡上的點，該點對應(yīng)的溫度即為相關(guān)色溫（CCT）。若色坐標(biāo)點位于軌跡下方，則需計算其與一系列等溫線的交點，以確定CCT和Duv值（表征與黑體軌跡的偏離）。

   • 顯色指數(shù)計算：將SPD作為測試光源，照射在14種CIE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)色樣上，計算其與在參照光源（通常為同CCT的普朗克黑體或晝光光譜）下呈現(xiàn)顏色的差異。特殊顯色指數(shù)Ri是每個色樣的差異度量，一般顯色指數(shù)Ra是前8個色樣Ri的平均值。

   • 色容差計算：表征被測光源色坐標(biāo)與目標(biāo)標(biāo)稱色坐標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)色度圖上的差異。常用麥克亞當(dāng)橢圓或其簡化模型（如CIE 1976 UCS圖中的圓形或橢圓形區(qū)域）來定義容差范圍，計算實測坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)的差值是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

2. 積分法：使用色彩照度計或分布式光度計結(jié)合快速顏色傳感器直接測量。儀器內(nèi)部通常裝有經(jīng)過濾光片匹配至CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者函數(shù)的光電探測器，能直接輸出色坐標(biāo)、CCT等參數(shù)。其原理是模擬人眼或光譜響應(yīng)，精度低于光譜輻射度法，但速度快，適用于產(chǎn)線快速分選和現(xiàn)場檢測。

二、 檢測項目

LED模塊顏色特性的檢測項目可系統(tǒng)分類如下：

1. 基礎(chǔ)色度參數(shù)

   • 色坐標(biāo)：在指定色度圖（如CIE 1931, CIE 1976）上的坐標(biāo)值，是顏色基本的量化表達(dá)。

   • 相關(guān)色溫：適用于白光LED，描述光色的冷暖程度，單位開爾文（K）。

   • Duv值：表征白光LED色點與黑體軌跡的偏離程度和方向，是評價白光品質(zhì)的重要參數(shù)。

   • 峰值波長：對于單色光LED，指光譜功率分布中輻射功率大的波長。

   • 主波長/主波長純度：對于單色光LED，描述其顏色感知和飽和度。

2. 顏色一致性及均勻性

   • 色容差（SDCM）：量化單個模塊或多個模塊之間顏色一致性的關(guān)鍵指標(biāo)。

   • 空間顏色均勻性：測量LED模塊發(fā)光面不同位置（通常選取5點或9點）的色坐標(biāo)，計算其大差異。

   • 批次顏色一致性：抽樣檢測同一生產(chǎn)批次中不同模塊的顏色參數(shù)差異。

3. 顏色渲染特性

   • 一般顯色指數(shù)（Ra）：綜合評價光源還原物體顏色的能力。

   • 特殊顯色指數(shù)（Ri）：特別是R9（飽和紅色），對LED照明在零售、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。

   • 色彩保真度指數(shù)（Rf）和色彩飽和度指數(shù)（Rg）：基于IES TM-30標(biāo)準(zhǔn)的新評價體系，提供比Ra更全面的顏色保真度和飽和度信息。

4. 顏色維持特性

   • 顏色漂移：在加速老化或長期燃點過程中，監(jiān)測色坐標(biāo)隨時間的漂移量，通常與光通維持率測試同步進(jìn)行。

三、 檢測范圍

LED模塊顏色特性檢測覆蓋了所有應(yīng)用領(lǐng)域?qū)馍|(zhì)量的把控：

• 室內(nèi)通用照明：辦公室、教室、商場、酒店、住宅等。要求嚴(yán)格的色容差控制（如<5 SDCM）、高顯色性（Ra > 80，商業(yè)空間常要求Ra > 90，R9 > 50）、舒適的CCT和Duv。

• 工業(yè)及商業(yè)專項照明：

  • 零售照明：強(qiáng)調(diào)高顯色性，特別是對紅色、肉類、紡織品等顏色的真實還原（高Ra和R9，Rf）。

  • 博物館照明：對顯色性要求極高（Ra > 95），且需控制紅外和紫外輻射。

  • 醫(yī)療照明：手術(shù)燈等需要特定的高顯色性和色溫，確保組織器官顏色辨識準(zhǔn)確。

  • 道路及隧道照明：關(guān)注色溫對視覺敏銳度和舒適度的影響，以及顯色性對安全辨識的作用。

• 農(nóng)業(yè)照明：植物生長燈需測量其光譜分布與植物光合成色素吸收譜的匹配度（光量子通量密度PPFD，光譜組成），而非傳統(tǒng)顏色參數(shù)。

• 背光顯示：液晶顯示器背光要求極高的顏色一致性、寬色域和高色彩飽和度。

• 汽車照明：信號燈（轉(zhuǎn)向燈、剎車燈）對色坐標(biāo)有嚴(yán)格的法規(guī)區(qū)域限制；前照燈對白光LED的色溫和一致性有要求。

四、 檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織制定了詳盡規(guī)范。

• 標(biāo)準(zhǔn)：

  • CIE S 025/E:2015：LED燈和LED模塊的測試方法，是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了光、色、電參數(shù)的測量條件。

  • IEC/TR 62778：關(guān)于藍(lán)光危害評估的應(yīng)用，與高色溫LED相關(guān)。

  • IES LM-79：固態(tài)照明產(chǎn)品的電氣和光度測量，包含顏色測量方法。

  • IES TM-30-18：評價光源顯色性的方法，提供Rf和Rg等指標(biāo)。

• 中國標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 24824-2009：普通照明用LED模塊測試方法，等效采用CIE相關(guān)文件。

  • GB/T 29293-2012：LED燈性能測試方法，包含顏色特性。

  • GB 7000.1-2015：燈具通用安全要求，涉及顏色一致性及標(biāo)記。

  • 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)/技術(shù)規(guī)范：如《普通照明用非定向自鎮(zhèn)流LED燈性能要求》等，對色容差、顯色指數(shù)等有具體分級和要求。

• 對比分析：

  • 核心原理一致：CIE S 025是各國標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)基礎(chǔ)，GB/T 24824等與其高度一致。

  • 指標(biāo)要求差異：不同或地區(qū)的市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)對具體參數(shù)（如Ra小值、色容差上限）的要求可能存在細(xì)微差別。例如，北美能源之星（ENERGY STAR）與中國的節(jié)能認(rèn)證對色維持的要求可能不同。

  • 標(biāo)準(zhǔn)更新速度：標(biāo)準(zhǔn)（如IES TM-30）對新評價方法的采納通常較快，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)跟進(jìn)需要過程。目前TM-30作為Ra的補(bǔ)充，應(yīng)用越來越廣，但國內(nèi)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)仍以Ra為主。

  • 測量條件：各標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)測量必須在熱穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行，并使用積分球或分布式光度計在特定幾何條件下測量。

五、 檢測方法

1. 光譜輻射度法（基準(zhǔn)方法）

   • 操作要點：

     • 樣品預(yù)處理與穩(wěn)定：LED模塊必須在額定條件下點燃直至光色輸出穩(wěn)定（通常至少30分鐘）。

     • 積分球測量系統(tǒng)：將LED模塊置于積分球中心（2π幾何）或球壁（4π幾何），避免光線直射探測器窗口。使用擋屏屏蔽探測器直接接收來自樣品的光線。測量前需用標(biāo)準(zhǔn)燈對系統(tǒng)進(jìn)行絕對校準(zhǔn)。

     • 分布式光度計測量系統(tǒng)：用于測量空間不同方向的光色性能。需保證探測器（光譜輻射度計探頭）與樣品距離滿足遠(yuǎn)場條件，或使用鏡像光度計。

     • 環(huán)境控制：確保環(huán)境溫度穩(wěn)定，無雜散光干擾。

2. 積分法（工程方法）

   • 操作要點：

     • 儀器校準(zhǔn)：必須使用已知色坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)光源對色彩照度計進(jìn)行精確校準(zhǔn)。

     • 測量幾何條件：嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量距離和角度進(jìn)行。

     • 適用性：主要用于生產(chǎn)線上的快速分選、現(xiàn)場安裝后的顏色一致性檢查。因其精度受探測器匹配、溫度漂移等因素影響，不適用于高精度認(rèn)證測試。

3. 空間顏色均勻性測量

   • 操作要點：使用成像色度計或帶有微移動平臺的光譜輻射度計，按預(yù)設(shè)網(wǎng)格掃描整個發(fā)光面，記錄各點色坐標(biāo)。

六、 檢測儀器

1. 光譜輻射度計：核心設(shè)備。由單色儀（或光譜儀）、探測器（CCD或光電二極管陣列）、光學(xué)入口和數(shù)據(jù)處理單元組成。

   • 技術(shù)特點：高波長精度、高光譜分辨率、寬動態(tài)范圍、低雜散光。配備積分球構(gòu)成光譜輻射度測量系統(tǒng)。

2. 積分球：用于創(chuàng)造均勻的漫射光環(huán)境。

   • 技術(shù)特點：內(nèi)壁涂覆高反射、漫射且光譜中性材料（如硫酸鋇或聚四氟乙烯）。尺寸需遠(yuǎn)大于被測樣品，以避免自吸收效應(yīng)。通常配備輔助燈用于自吸收校正。

3. 分布式光度計/ goniospectrophotometer：

   • 技術(shù)特點：能夠精確控制樣品與探測器之間的相對角度，并集成光譜輻射度計，實現(xiàn)空間光色分布測量。

4. 色彩照度計/色度計：

   • 技術(shù)特點：基于濾光片-探測器系統(tǒng)，響應(yīng)函數(shù)匹配至CIE XYZ標(biāo)準(zhǔn)觀察者曲線。便攜、快速，但需定期校準(zhǔn)，精度和光譜準(zhǔn)確性低于光譜輻射度計。

5. 成像色度計：

   • 技術(shù)特點：采用CCD或CMOS傳感器，前端加裝濾光片系統(tǒng)，能一次性獲取整個發(fā)光面的二維顏色分布圖，極大提高均勻性檢測效率。

七、 結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)有效性判斷：首先檢查測量數(shù)據(jù)是否在儀器不確定度范圍內(nèi)，樣品是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，測量環(huán)境是否符合要求。

2. 與標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)格書對比：

   • 色坐標(biāo)與色容差：將實測（u', v'）或（x, y）與標(biāo)稱值比較，計算Δu'v'，判斷是否小于標(biāo)準(zhǔn)（如ANSI C78.377規(guī)定的步長或客戶要求的SDCM橢圓）。

   • CCT與Duv：判斷CCT是否在宣稱的bin內(nèi)，Duv值是否在允許范圍內(nèi)（通常為±0.005）。

   • 顯色指數(shù)：判斷Ra、R9等是否達(dá)到宣稱值或標(biāo)準(zhǔn)要求的低限。

   • 空間顏色均勻性：計算發(fā)光面各點色坐標(biāo)的大差值Δu'v'，判斷是否小于應(yīng)用要求的閾值（如<0.004）。

3. 趨勢分析與問題診斷：

   • 色坐標(biāo)漂移：若老化測試中色坐標(biāo)發(fā)生系統(tǒng)性漂移，可能源于熒光粉老化、芯片衰減或封裝材料黃化。

   • 顯色指數(shù)不足：特別是R9過低，通常與紅光光譜成分缺失有關(guān)，反映了熒光粉配比或芯片波長選擇的問題。

   • 色容差超差/均勻性差：反映生產(chǎn)工藝控制不佳，如熒光粉涂覆不均勻、芯片性能離散性大、透鏡或封裝材料一致性差。

4. 綜合評判：依據(jù)產(chǎn)品宣稱的性能等級和適用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對所有顏色參數(shù)進(jìn)行綜合評判，給出“合格/不合格”或性能等級的結(jié)論。對于研發(fā)，分析結(jié)果用于指導(dǎo)光學(xué)設(shè)計、材料選擇和工藝優(yōu)化。