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1、光源与灯具光色空间分布的高精度测量方法摘要：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
2、 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High accuracy spatial photometry and colorimetry of lamps and luminairesJiangen Pan Qian LiEVERFINE PHOTO-E-INFO CO., LTD，Hangzhou,China()A
3、bstract: For lamps and luminaries, using the integrating sphere and spectroradiometer to measure their colorimetric parameters and using the goniophotometer to measure their luminous intensity distribution have been applied for tens of years, and the technologies have been matured. However, as the f
4、ast development of new light sources which have more complicated luminous performance than traditional ones, the simple method that coupling the integrating sphere and spectrometer for colorimetry can not fulfill the measurement requirement, and at the same time, as the new light sources have uneven
5、 spatial chroma distribution, the conventional goniophotometers also can not satisfy the measurement requirement for it can only measure the luminous intensity distribution. These bring challenges, and the spatial photometry and colorimetry have attracted much attention in the world. This paper intr
6、oduces the high accuracy measurement method for spatial photometry and colorimetry of lamps and luminaries, and the goniospectroradiometer comprised the high accuracy array spectroradiometer and the 2M2D goniophotometer, and the measurement results of typical light sources are analyzed. The introduc
7、ed measurement method and instruments in this paper can not only thoroughly estimate but also provide the most comprehensive and objective data to describe the photometric and colorimetric performance of the lamps and luminaries. They important to appraise, research and apply the lamps and luminarie
8、s.Keywords: spectrometer, goniophotometer, spatial distribution, high accuracy1. 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
9、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
10、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（A ）匹配函数的要求很高，即使V（A ）失匹配系数乌值较小 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。RotatitilH minor图1:空间光谱辐射计的结构示意图为精确测量光源或灯具的空间光色性
11、能，所采用的分布光谱辐射计应该至少满足以下要求:1. 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；2. 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；3. 反光镜的光谱反射选择性曲线应该尽量平坦；4. 精确控制测量距离；5. 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;6. 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；7. 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；8. 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-R300
12、0 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（Y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
13、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
14、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1.0X10-4勺杂散光控制水平，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。根据某一方向上的光谱辐射功率P （入），计算光源或灯具在该方向上的照度为，按普通分布光度计的
15、数据处理方法得到被测光源或灯具的空间光强分布和其它相应的结果。由光谱辐射功率P（入）计算色度参数，根据CIE 1931 ,三刺激值曲线计算刺激值响应为:X = FQ 汛I ）宜鸵口?Eli毓il罢=氐友（士 M计算CIE1931坐标系和1976均匀坐标系的色品坐标分别为:X+Y+Z_ _i，= 9V其它色参数也可以由光谱功率分布导出，不再赘述。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
16、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：匚!己=其中，ci是在某个扫描位置上的色度参数，i是相应的加权因子，W是空间立体角。5. 典型LED灯具的实验结果和讨论以
