LED路灯全空间快速分布光度计系统

摘要：
   总光通量、空间颜色均匀性、空间光强分布及眩光评价和近场分布特性等均是LED路灯极为重要的指标，包括转镜分布光度计在内的传统测量设备只能部分实现以上参数的测试，不能提供全面的测量和评价，快速、精确、全面测量以上技术指标，遇到了前所未有的挑战。在国家863计划项目的持续支持下，我国在LED全空间光分布测量技术方面取得了举世瞩目的成就，拥有核心自主知识产权的相应设备也已成功开发，并出口国际高端市场，受到国际照明委员会(CIE)等国际组织的高度肯定。本文将作具体介绍。

关键词：总光通量、空间光强分布、空间光谱分布、眩光、全空间分布光度计

一. 概述
   LED产品对温度十分敏感；LED产品光束一般较窄，经过二次光学设计的LED路灯系统的空间光分布更为复杂；同时由于LED光源和灯具往往采用一体化设计，传统的相对测量光通量的方法不再适用，而光通量和光强分布的绝对测量对其方法和设备则要求更高。LED路灯总光通量的绝对精确测量关系到是否能正确评价其发光效率（效能）和绝对光强分布。
受其发光机制的影响，白光LED具有较为明显的空间光色不均匀性，即在不同的视角上表现出不同的颜色，若二次光学设计不当，这一现象会更为明显，因此空间颜色均匀性测量对于LED路灯也十分重要。
    对于LED路灯而言，亮度和可能造成的眩光也是极为重要的指标，但由于其发光区域内亮度分布很不均匀，反射面形状复杂，传统的检测和评价方法在解决LED路灯的亮度和眩光问题遇到了更大困难。
    此外，LED路灯二次光学设计又极需要LED的近场分布数据，设计师需要知道光从哪里射出，射向什么方向，光线光通量是多少，这些数据是传统分布光度计根本不能提供的。
   上述问题给LED路灯的快速精确的光学测试带来了前所未有的挑战。我国科技部早在“十五”期间就开始布置相关的国家863计划项目，以应对LED高速发展所带来的标准与检测所带来的挑战，经过国家863项目的持续支持，我国在LED检测领域取得了举世瞩目的成就，其中，拥有核心自主知识产权的全空间光分布测量技术及相应检测设备――全空间快速分布计系统已成功开发，并出口国际高端市场。我国在该领域的研究成果在国际照明委员会(CIE)等国际权威学术和标准化组织发表后[1]，受到了高度重视，CIE已决定，由全空间光分布测量技术的多项发明专利设计者杭州远方光电信息有限公司潘建根教授级高工主持《LED灯具测量方法》技术报告[2]，以实现CIE对LED灯具测量方法的标准化。
二、LED全空间光分布测量技术基本原理
   基于CIE经典测光理论，通过研究攻关， LED路灯的总光通量、空间颜色均匀性、空间光强分布及眩光评价和近场分布特性等可以通过以下测量方案解决：
1、总光通的精确测量（基准级测量方法）
   如图1所示，探测器D1为光度探头，构成紧凑型分布光度计，典型的测量距离为2~3m，适合测量小尺寸及发光较弱的光源或灯具的光强分布；更重要的是，它能够使用照度积分法测量各种尺寸光源和灯具的总光通量，该方法是CIE技术报告确认的准确的方法（总光通量基准测量方法）[3]。
2、近场光分布测量
   如图1所示，当探测器D1是能测量光源或灯具发光面内各点亮度的成像亮度计时，可构成近场分布光度计，它能精确测量被测光源在空间各方向上的亮度分布，评价光源或灯具的眩光，并能通过专用分析软件利用光线追踪和校正方法计算出无穷远场的光强分布，同过远场校准和软件分析，可解析在空间任一截面的光照度分布。

（a）紧凑型分布光度计示意图        (b) 近场测量的侧视图     （c）分布光谱辐射计示意图
                      图1：紧凑型分布光度计、近场测量和分布光谱辐射计示意图
3、空间光谱辐射分布的测量
    如图1所示，当探测器D1是快速光谱辐射计时，构成分布光谱辐射计。它能测量被测光源的空间光谱分布，并通过专用软件准确计算得到被测光源的平均色度特性以及空间颜色不均匀性。
4、远场测量
    如图2所示，探测器D3接收经旋转反射镜M1和固定反射镜M2两次反射的光束，实现远场测量，典型测量距离为30米。适用于包括投光灯等光束角窄、尺寸大的灯具的光强分布测量。
 
图2：同时实现远场和近场测量的分布光度计示意图
5、准远场测量
    如图3所示，同步旋转的探测器D2接收经旋转反射镜反射的光束，实现准远场测量，典型测量距离为15米左右。适用于测量大尺寸宽光束角的光源或灯具的光强分布，如室内灯、道路灯等

图3：同时实现准远场和近场测量的分布光度计示意图
6、全空间光度
    如图4所示，在同一分布光度计系统同时配备上述系统各功能模块，可构成功能十分完整的全空间快速分布光度计系统，由于每个探测器的测量都具有各自优势，因此系统通过不同探测器的全空间互校，实现优势整合，可进一步提高测量精度。 同时，可通过全空间光场追踪运算，可实现任一截面内的光度分布和空间光谱辐射分布的解析。

图4：同时实现近场、准远场和远场测量的典型全空间快速分布光度计示意图
    综合具备上述全部功能的全空间快速分布光度计实现了前所未有技术性能，在LED和LED灯具高端测量领域具备独特技术优势，它必将成为LED和LED灯具测量的完整解决方案。 
三、全空间分布光度计设备与应用

图5：GO-R5000全空间快速分布光度计实物图片
    如图5所示为杭州远方光电信息有限公司在国家863(高技术研究发展计划)项目支持下，成功开发的GO-R5000 全空间快速分布光度计系统实物图片，已取得了多项国家发明专利，她完整拥有上述全空间分布光度计系统的所有功能，整体水平处于国际领先地位。较传统的卧式分布光度计和转镜分布光度计，她具备以下技术优势：
  （1）光源绝对稳定（比传统中心反射镜式分布光度计约高10倍）；                
  （2）极快的测量速度（在相似测量精度下，比传统中心反射镜式分布光度计约快6倍）；
  （3）灵活配置实现多场多功能测量（六合一）；     
  （4）极宽动态范围（比以往绝大多数分布光度计至少宽100倍）；
  （5）可实现总光通量的更高精度（基准级）测量；  
  （6）极高的角度精度；
  （7）极低的杂散光；                            
  （8）节约空间；
  （9）极高性能价格比。
   GO-R5000全空间快速分布光度计系列产品目前已出口英国、意大利、德国、澳大利亚、土耳其、巴西、美国、台湾等多个国家和地区，美国GE公司、台湾工业技术研究院、英国Cooper 公司、意大利REGGIANI公司和我国多家质检机构、科研机构和大型LED和LED路灯制造企业等都已经建立了以GO-R5000系列产品为核心的高端测光实验室。
四、小结
    本文简要介绍了LED和LED路灯全空间快速分布光度计系统的基本组成和主要性能，实践表明，全空间分布光度计已能较为完整地解决了LED和LED灯具的总光通量、空间颜色均匀性、空间光强分布及眩光评价和近场分布特性等复杂光学参数的测量和表征，相关核心技术我国拥有自主知识产权，受到了包括CIE在内的国际权威学术和标准化组织的高度重视和肯定。

参考文献：
[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