实验室工程师知识点分享：两种LED照明产品光通量测量方法的比较分析

摘要：光通量是评价LED照明产品及其重要的光学性能参数。本文通过引入光度学基本概念，对两种LED照明产品光通量的测量原理和测量方法进行比较分析，重点探讨了两种检测方法的优劣势和适用性。

关键词：光通量；LED照明产品；测量方法

目前国际上测量光源或者灯具的总光通量的主流设备是分布光度计系统和积分球系统，而用分布光度计测量总光通量又包括照度分布积分法和光强积分法。CIE84文件对几种光通量测量方法分别进行了阐述、指出照度分布积分法是多数发达国家国家计量实验室从国际单位制（SI）基本单位“坎德拉”建立光通量单位“流明”的国家基准的方法，测量精度很高。由于长期以来缺乏相对应的分布光度计设备，用照度分布积分法测量总光通量的高精度方法一直未在工业上得到广泛应用，而事实上，随着仪器科学的发展，Zui新研制的具有国际先进水平的分布光度计系统已经比较容易实现这一功能。

由于LED产品的发光特性以及整体式灯具的设计，特别是LED产品的光通量以及光强分布测量对所采用的方法和设备的精度提出了更高的要求，笔者根据多年工作经验，及相关理论，分析两种LED光通量的测量方法，并进行优劣探讨。

1 LED照明产品光通量的测量原理

1.1 光度学基本概念

1.1.1 光通量（Φ）

光通量的单位为“流明”。光通量通常用Φ来表示，在理论上其单位相当于电学单位瓦特，因视觉对此尚与光色有关。依标准光源及正常视力度量单位采用“流明”，符号：lm。流明 (lm) 是国际单位体系 (SI) 和美国单位体系 (AS)的光通量单位。如果将光作为穿越空间的粒子（即光子），那么到达曲面的光束的光通量与 1秒钟时间间隔内撞击曲面的粒子数成一定比例。

光通量的物理表达式为：
                  （1）
　　式中：
　　K：光敏度、感光度（类比：胶卷的感光度）、人眼对于彩色的感知能力 K = 683.002 lm/W。K值使光通量的单位与辐射功率的单位得到统一。
　　λ：波长，事实上人眼只对波长位于380nm~780nm的可见光有反应，习惯上我们把低于380nm的光波称为紫外线(Ultraviolet，简称UV)，把高于780nm的光波称为红外线(Infrared，简称IR)，这一点也反映在了视见函数V(λ)中。

V(λ)：称为人眼相对光谱敏感度曲线，亦作视见函数曲线，是了众多针对人眼的测试经验而得到的，它描述了人眼对不同波长的光的反应强弱。

1.1.2 发光强度（I）

发光体在给定方向上的发光强度是该发光体在该方向的立体角元dΩ内传输的光通量dΦ除以该立体角元所得之商，即单位立体角的光通量。其公式为：
                   （2）
　　该物理量的符号为I，单位为坎德拉（cd），1cd=1lm/sr。

1.1.3 光照度（E）

光照度表示照射到表面一点处的面元上的光通量与该面元的面积之比。其公式为：
                           （3）
　　1.2 光度学测量基本定律

1.2.1 照度平方成反比定律

定义：垂直于光线传播方向的照度与光源在该方向上的光强成正比，与光源到表面的距离的平方成反比。

如图1所示，由于：

照度（E）与光强（I）之间换算关系为：
                             （4）

1.2.2照度的余弦定律

定义：点光源S照射在水平面H上产生的照度E与光源的光强I及被照面法线与入射光线的夹角θ的余弦成正比，与光源至被照面计算点的距离平方成反比。

图2 照度的余弦定律

 

如图2所示，照度定义：，
，
　　S1面：；
　　S2面：；
　　因为，，可以推出：
　　；
　　将它与照度的平方反比定律结合起来就有：
                                                         （5）

1.2.3余弦立方定律

图3 余弦立方定律

如图3所示，根据照度余弦定律，
　　将代入，
　　可以推出：
                           （6）

1.3 积分球法测量原理

如图4所示，一个积分球内壁涂以白色的中性漫反射层，反射比为，球的半径为r，设点光源O的光通量为。在球壁上任意一点B上的照度E应由两部分组成：一部分是由光源O直接照射到B点产生的照度；另一部分是由光源找到球壁的其它部位如A点后，被反射到测点上所产生的照度。根据公式（3）进行换算，光源O直接照射照度为，反射到B点的照度分别为一次反射，二次反射，…，以至无数次反射的照度分别为：
　　
              （7）
　　点光源发出的光，经球内壁的无数次漫反射后，在球内壁各点形成均匀的照明，此时球壁上任意一点的照度与光源的光通量，球的大小以及反射比有关，公式（7）就是应用积分球法对点光源测量光通量的基本原理公式。

1.4 分布光度计法测量原理

分布光度计法测量光通量分为光强积分法和照度积分法。

以光强积分法测量为例，原理公式如下：
                                     （8）

其中，是被测光源或灯具在空间方向上的光强，是空间角，如图5所示。分布光度计的光强测量一般通过照度和距离平方成反比定律公式（4）实现，这需要比较长的测量距离，并且测量结果对被测样品光度中心的确定和对准以及测量距离的测量较为敏感。

由于大多数气体放电灯（如荧光灯、HID灯等）对燃点姿态、气流、运动中的振动和冲击十分敏感，LED产品的发光往往具有温度依赖性，就分布光度计本身而言，应使被测光源和灯具始终保持规定的燃点姿态，被测光源或灯具在测量中固定不动或仅绕自身的垂直轴旋转并在取样中处于完全静止状态，以保证其发光稳定性。否则应注意对测量过程中的监控和对测量结果的修正。

图4 积分球法量测原理


图5 虚拟球表面取样示意图

2 两种测量方法比较分析

2.1 积分球法测量LED光通量的特点

如图6所示，基于积分球系统的替代法测量总光通量已被人们所熟知。积分球系统具有测量速度快，无需暗室等优点。对于LED产品，积分球系统存在温度控制困难、窄光束角LED具有夹持方向依赖性和光谱功率与常用标准灯差异大等问题。

当使用与被测灯不同类型的灯作为标准灯时，由于不同类型光源的相对光谱功率分布不同，球壁涂料对不同光谱反射率是不一样，光电接收器对不同光谱响应时间不一样，积分球窗口玻璃等对不同光谱透射率不一样，应进行色修正和吸收修正。具体的修正方法可查看相应的产品测量标准。为了减少这种复杂的修正，采用同类LED产品定标积分球系统的相对测量方法能大幅提高测量精度，以高精度的总光通量测量方法设备作为基准传递量值，对提高积分球系统的测量精度十分重要。

2.2 分布光度计法测量LED光通量的特点

分布光度计系统对LED产品的尺寸、外形、光束角等没有特别限制，暗室中测量的LED产品自身不会累加热量，控制LED温度的稳定以使其稳定发光十分关键。分布光度计的类型有多种，实现总光通量的原理可分为光强积分法和照度积分法，它们的测量精度各不相同。目前大多数检测机构所用的分布光度系统大多采用光强积分法，此方法所用光强测量一般通过照度和距离平方反比定律实现，往往需要较长的测量距离。目前光强测量法主要分为转镜式分布光度计测量法和灯具旋转式分布光度计测量法。

2.2.1 转镜式分布光度计测量法

转镜式分布光度计因能保持被测光源姿态且能实现长距离测量而被广泛应用，在传统中心旋转反射镜式分布光度计中，被测LED产品在测量中必须在相当大的空间内做准圆周运动，其温度存在较大的不稳定性。

暗室中往往存在上部温度高而下部温度低的现象，被测LED产品实际上工作在交变的环境温度中，该温度差一般为2～5℃，且运转空间越大，温差也越大。

被测LED产品在运动中产生气流，导致LED产品表面温度大幅变化。

中心旋转式发射镜式分布光度计中，由于被测LED产品因在测试时需作大范围运动而使得其发光不稳定，该项被测对象不稳定误差而因光源或灯具的设计不同而不同，严重时可达5%以上，相对测量法还不能消除此项误差。

2.2.2 灯具旋转式分布光度计测量法

如图7所示，灯具旋转式分布光度计（卧式分布光度计）结构简单，是另一种常用的分布光度计，光度探测器保持静止，而被测LED产品绕其自身水平轴和垂直轴旋转。

被测灯在测量中的燃点姿态不断发生变化，对气体放电灯的稳定发光影响较大，对于LED产品，燃点姿态仅会影响其散热效果。在该分布光度计中，被测LED产品仅绕转动中心转动，环境温度变化和周围气流都比中心旋转反射镜式分布光度计要小得多，若LED产品的散热对燃点姿态不敏感，则LED产品在这类分布光度计中的稳定性较高，能达到很高的光强分布测量精度，相应的总光通量测量精度也会较高。

对于LED产品的测量而言，中心反射镜分布光度计除造价高、日常运行成本高、占用空间大以外，其他各方面的性能也均不如灯具旋转式分布光度计。

3 小结

上文通过比较分析几种光通量测量方法，Zui终得出分布光度计测量法更适合LED产品的光通量测量。

随着LED的发展和对节能减排要求的提高，LED产品的总光通量的高精度测量方法越来越重要，众多国际的实验室和研究机构目前也都对这一课题展开深入地研究，中国在总光通量测量方法和设备方面作了较为全面的研究，相关的测量方法和技术也在不断地改进和更新中，并且越来越接近国际水平。