LED照明出現(xiàn)后，有關(guān)測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)品光色測量準(zhǔn)確性和一致性研究》科研課題，通過對光度、色度測量方面及測量設(shè)備知識(shí)的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和分析研究，對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、光色測量用光電轉(zhuǎn)換器件和儀器概述

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

照明工程測量用得多的照度計(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)測量的積分球測量系統(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)測量系統(tǒng)中仍以采用光度探頭為主，測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，按波長順序掃描測得某一方向上光譜功率分布，原理上測量精度高, 但速度太慢;或 CCD式的，一次性測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)室測量精度要求)來測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)。

無論相對法測量還是絕對法測量，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量系統(tǒng)和不少的光色分布計(jì)測量系統(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%)，對于藍(lán)色波段的測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)色波段的測量誤差對整個(gè)可見光波段的總光通量誤差的影響力較小，但對色度誤差的影響力會(huì)很大。

二、光度測量及設(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。

除較暗弱照明場合的暗視覺條件和逐漸受到關(guān)注的路燈照明場合的中間視覺條件外，大多數(shù)照明場合為明視覺條件，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.積分法測量儀器設(shè)備中的光度探頭

測量光色參數(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，測量高色溫的被測燈時(shí)光度誤差可能會(huì)很大，而且對色度參數(shù)測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)既測量傳統(tǒng)光源、又測量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“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“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《光電探測器相對光譜響應(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)行各波長分量的測量誤差的比較，測出各波段分誤差。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)