LED照明出現(xiàn)后，有關(guān)測(cè)量問題一直是熱議話題。本文結(jié)合廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局資助的《LED照明產(chǎn)品光色測(cè)量準(zhǔn)確性和一致性研究》科研課題，通過對(duì)光度、色度測(cè)量方面及測(cè)量設(shè)備知識(shí)的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和分析研究，對(duì)其中的一些問題提出了自己的看法和觀點(diǎn)與大家分享。

一、光色測(cè)量用光電轉(zhuǎn)換器件和儀器概述

照明光學(xué)測(cè)量一般分為光度和色度兩方面參數(shù)的測(cè)量。目前，照明光色參數(shù)的測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)中，有相對(duì)法測(cè)量(例如積分球光色電測(cè)量系統(tǒng)等)和絕對(duì)法測(cè)量(例如光度和色度分布計(jì)測(cè)量系統(tǒng)、照度計(jì)、亮度計(jì)等)兩大類。

照明工程測(cè)量用得多的照度計(jì)、亮度計(jì)絕大多數(shù)仍采用積分法光度探頭;照明產(chǎn)品光色參數(shù)測(cè)量的積分球測(cè)量系統(tǒng)中已基本上不使用積分法光度探頭而使用分光法光譜儀，先測(cè)得光譜功率分布，再由軟件計(jì)算出總光度參數(shù)和總色度參數(shù);照明產(chǎn)品光色分布計(jì)測(cè)量系統(tǒng)中仍以采用光度探頭為主，測(cè)量并記錄各方向的光度參數(shù)，同時(shí)由軟件可計(jì)算得到總光度參數(shù)。

此外，大多數(shù)光分布計(jì)系統(tǒng)都附加有光譜單色儀，包括機(jī)械掃描式的，按波長順序掃描測(cè)得某一方向上光譜功率分布，原理上測(cè)量精度高, 但速度太慢;或 CCD式的，一次性測(cè)得某一方向上光譜功率分布，目前精度較高且速度快;或三刺激值法儀(一次性測(cè)得某一方向上紅、綠、藍(lán)三原色各功率，速度最快但精度較差，已基本上不符合實(shí)驗(yàn)室測(cè)量精度要求)來測(cè)量各方向的色度參數(shù)，并可同時(shí)由軟件計(jì)算得到總色度參數(shù)。

無論相對(duì)法測(cè)量還是絕對(duì)法測(cè)量，儀器設(shè)備出廠前、使用前或使用一段時(shí)間后，都必須對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)或校準(zhǔn)，而長期的歷史已形成了都是用標(biāo)準(zhǔn)白熾燈作校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)源，這有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。無論使用積分法(光度探頭)或使用分光法(光譜儀)的測(cè)量儀器設(shè)備，其中人眼光譜光視效能函數(shù)V(λ)(簡稱“視見函數(shù)”)的匹配誤差系數(shù)f1′是照明光色測(cè)量儀器設(shè)備中最重要的精度參數(shù)，f1′越小，精度就越高。

目前，各照明檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和照明企事業(yè)單位擁有大量的積分球光譜光色電測(cè)量系統(tǒng)和不少的光色分布計(jì)測(cè)量系統(tǒng)，更有大量的照度計(jì)。有國產(chǎn)的，也有進(jìn)口的，有早期購買的(一般f1′較大)，也有近期購買的(一般f1′較小)。作為絕大多數(shù)設(shè)備使用者來說一般只知道設(shè)備標(biāo)稱的光度探頭指標(biāo)f1′是多少，而不清楚f1′實(shí)際是多少。更不知紅、綠、藍(lán)各波長和波段中哪些波長和波段的誤差分別為多少。這些使得在測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)白熾燈光譜分布區(qū)別大的照明產(chǎn)品時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。而且還不知道主要來自哪些波段的測(cè)量誤差。

有報(bào)道稱[1]，即使采用目前所見的匹配函數(shù)誤差系數(shù)f1′最精確的光度探頭(f1′=0.5%)，對(duì)于藍(lán)色波段的測(cè)量其誤差都非常驚人，見圖1。

當(dāng)然，后面的分析會(huì)提到，藍(lán)色波段的測(cè)量誤差對(duì)整個(gè)可見光波段的總光通量誤差的影響力較小，但對(duì)色度誤差的影響力會(huì)很大。

二、光度測(cè)量及設(shè)備簡述

光度涉及明視覺和暗視覺。人眼是由視網(wǎng)膜的桿狀細(xì)胞來感受明度(或亮度)的，人眼視見函數(shù)V(λ)見圖2，其中右邊的黑色曲線為明視覺視見函數(shù)V(λ)曲線。

除較暗弱照明場(chǎng)合的暗視覺條件和逐漸受到關(guān)注的路燈照明場(chǎng)合的中間視覺條件外，大多數(shù)照明場(chǎng)合為明視覺條件，其明視覺的視見函數(shù)V(λ)參數(shù)見表1。

       表1 明視覺的視見函數(shù)V(λ)數(shù)據(jù)

可見，人眼對(duì)555nm波長的黃綠光最敏感，達(dá)到100%的感知。向此波長兩邊延伸，則敏感度都不斷下降。到藍(lán)光波段及紅光波段時(shí)敏感度很小，到400nm和760nm時(shí)敏感度都近似為0，即有輻射功率但人眼無法感知。

(一)積分法光度探頭

1.積分法測(cè)量儀器設(shè)備中的光度探頭

測(cè)量光色參數(shù)都要把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理輸出或顯示，光度探頭的組成見圖3。光度探頭中的光接收-電轉(zhuǎn)換器件的光譜響應(yīng)特性(其中硅光電二極管的見圖4)與視見函數(shù)V(λ)相差很大。

因此，需要用多種濾光片與光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行組合修正，使之盡可能接近視見函數(shù)V(λ)曲線。當(dāng)然，不可能完全匹配，匹配誤差稱為視見函數(shù)匹配誤差系數(shù)f1′。

2.校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)燈及標(biāo)準(zhǔn)探頭

一直以來，國際、國內(nèi)光強(qiáng)最高基準(zhǔn)絕大多數(shù)采用黑體輻射(后期也有采用低溫幅射計(jì))，副基準(zhǔn)和絕大多數(shù)的工作基準(zhǔn)都采用與黑體輻射光譜相近的白熾燈。其特點(diǎn)是光譜功率連續(xù)平滑，光譜波長越短，輻射功率越小(見圖5)。相對(duì)于長波段的大輻射功率，藍(lán)色波段的輻射功率已非常小。

雖然高精度的基準(zhǔn)校準(zhǔn)系統(tǒng)量程寬、線性度好，但不同計(jì)量部門的或不同檔次的標(biāo)準(zhǔn)燈本身定標(biāo)時(shí)，仍然可能存在因短波長段的光信號(hào)強(qiáng)度小，使得產(chǎn)生的小測(cè)量誤差與光信號(hào)強(qiáng)度相比，其比例較大，傳遞給用戶標(biāo)準(zhǔn)燈或設(shè)備后，可能會(huì)進(jìn)一步放大誤差。用戶使用自己的標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)設(shè)備后，測(cè)量高色溫的被測(cè)燈時(shí)光度誤差可能會(huì)很大，而且對(duì)色度參數(shù)測(cè)量精度的影響又比光度參數(shù)精度的影響更大。

因此，這里引申出一個(gè)觀點(diǎn)，由于白熾標(biāo)準(zhǔn)燈光譜功率分布特征，用來對(duì)通用或兼顧型光度探頭/光度計(jì)或光譜儀(例如同一個(gè)光度探頭/光度計(jì)既測(cè)量傳統(tǒng)光源、又測(cè)量LED燈等光譜分布差別大的燈)進(jìn)行校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)源時(shí)，我們可以說白熾標(biāo)準(zhǔn)燈本身存在定標(biāo)能力不足的缺點(diǎn)。盡管長期以來，都使用它，甚至最高基準(zhǔn)也類似于它。

理論上來說，對(duì)于通用或兼顧型光度探頭/光度計(jì)或光譜儀的V(λ)的修正，最好的修正方法應(yīng)該是用連續(xù)等幅輻射功率的可見光作標(biāo)準(zhǔn)光源，按一定規(guī)則輸入進(jìn)光度探頭或光譜儀的輸入窗口中，再把得到的電量參數(shù)修正到與CIE的V(λ)數(shù)據(jù)一致的電量參數(shù)上去，而后輸出顯示結(jié)果，但這種標(biāo)準(zhǔn)光源在現(xiàn)實(shí)中無法得到。

標(biāo)準(zhǔn)探頭和標(biāo)準(zhǔn)燈都是由普通光度探頭和白熾燈長期發(fā)展而來，標(biāo)準(zhǔn)探頭與標(biāo)準(zhǔn)燈兩者大多都是互為基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)的，并在這種不斷相互作用中共同從低精度逐步提升到高精度的。當(dāng)然，即使發(fā)展到現(xiàn)在，也不全是高精度的，也有不同精度檔次差別較大的光度探頭/光度計(jì)或光譜儀商品供用戶選購。

3.光度探頭的重要性

使用光度探頭的測(cè)量儀器和系統(tǒng)中，光度探頭尺寸一般很小并直接把輸入的光量轉(zhuǎn)換為電量，其后是進(jìn)行電的處理并顯示結(jié)果。目前電量和顯示處理可以做到很高的精度。所以，光度探頭的精度基本上就直接決定了整個(gè)儀器設(shè)備系統(tǒng)的精度。

4.JJG245-2005《光照度計(jì)檢定規(guī)程》有關(guān)“V(λ)匹配誤差”的規(guī)定

①要求照度計(jì)V(λ)匹配誤差不超過表2。

       表2 各級(jí)照度計(jì)的V(λ)匹配誤差要求

②要求使用說明書上應(yīng)有V(λ)匹配誤差等技術(shù)指標(biāo)。

③檢定項(xiàng)目要求見表3。

       表3 各級(jí)照度計(jì)的檢定項(xiàng)目要求

表3中，無論首次檢定還是后續(xù)檢定等都未列入“V(λ)匹配誤差”項(xiàng)目，因此不需要檢定，其主要原因可能是檢定“V(λ)匹配誤差”比較復(fù)雜。

④要求定型鑒定、樣機(jī)試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目包括V(λ)匹配誤差、非線性誤差、疲勞誤差、紅外響應(yīng)誤差、紫外響應(yīng)誤差并見附錄A。而附錄A中有關(guān)“V(λ)匹配誤差”是采用非常復(fù)雜的計(jì)算法，且得出的是總“V(λ)匹配誤差”，沒有各波長段的“V(λ)匹配誤差”。

⑤實(shí)際檢定中一般采用“附錄B”中用上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)進(jìn)行比較，且得到的是示值誤差。

從上可見，JJG245-2005《光照度計(jì)檢定規(guī)程》對(duì)“V(λ)匹配誤差”有要求，而沒有各波長或波段的分項(xiàng)要求，也沒有對(duì)“V(λ)匹配誤差”的檢定要求。計(jì)量部門給企事業(yè)單位的光度探頭進(jìn)行傳遞或校準(zhǔn)時(shí)，常規(guī)校準(zhǔn)方法一般是在相同標(biāo)準(zhǔn)條件下采用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈作光源，比較被校準(zhǔn)光度探頭與標(biāo)準(zhǔn)光度探頭的總測(cè)量誤差，這時(shí)是無法給出各光譜波長的正誤差與負(fù)誤差各自多少。這使得光度探頭的V(λ)匹配誤差雖然可能由于正負(fù)誤差相互抵消后而總誤差不大，但有可能在某些波長或波段的正誤差比較大，而另一些波長或波段的負(fù)誤差比較大，這可能使得用這些光度探頭來測(cè)量非白熾燈光譜分布的燈或燈具的光色參數(shù)時(shí)產(chǎn)生很大的總誤差。

5. JJF 1150-2006給出的標(biāo)準(zhǔn)光源

JJF 1150-2006《光電探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)規(guī)范》還給出了用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈作標(biāo)準(zhǔn)光源，用高精度單色儀分光掃描各波長，再用標(biāo)準(zhǔn)光度探頭與被校準(zhǔn)光度探頭進(jìn)行各波長分量的測(cè)量誤差的比較，測(cè)出各波段分誤差。被校準(zhǔn)光度探頭的校準(zhǔn)精度，取決于標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈、單色儀、標(biāo)準(zhǔn)光度探頭等標(biāo)準(zhǔn)物的精度。而用單色儀進(jìn)行分量校準(zhǔn)的成本和花費(fèi)的時(shí)間要大很多，可能只有用戶要求的高精度探頭校準(zhǔn)時(shí)才會(huì)使用。

6.德國照度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)DIN5032-7匹配誤差系數(shù)f1′

       表4 德國照度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)DIN5032-7匹配誤差系數(shù)f1′

......　　————本文節(jié)選自第8期《半導(dǎo)體照明》雜志)