LED光度色度学原理及测量(业务培训)

分布光度、色度计
• 分布光度计、色度计： 由旋转台和光辐射测量装置组成。属于绝对法测量， 仪器设备也需要校准，校准后可用较长时期。 色度计：三刺激法仪精度差；机械式光谱仪慢； 需用CCD快速光谱仪 光度计: 目前大多数仍为积分式光度探头；f1’非常重 要；f2’一般，但也要看情况； * 测量空间光分布、颜色分布参数： 总光通量、 光强分布、空间光谱和颜色分布、空间亮 度分布 ……
--设备余弦函数好的测量距离至少为 灯具最大发光面尺寸的5倍 --设备余弦函数不好的测量距离至少为 灯具最大发光面尺寸的10倍 -- 投光灯的最小测试距离可用以下公式计算:
Dmin
a2 2a 2af (1 ) 4f s s
现场照度与亮度测量
• 在CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》中，以亮度测 量为主，有困难的可采用照度测量替代。 • 不同档次的照度计、亮度计的误差和差异很大； • 现场环境和路面情况，对设备和对人员的要求很高，易产 生误差； • 特别是对于LED照明测量来说，如不能深入掌握标准和了 解设备及没丰富的实践经验，测量误差会非常大。
光度基准
* 光度计量基准 经国家批准作为统一光度量计量单位量值的最高依据。
1 外层屏蔽罩 2 内层屏蔽罩 3 锥腔辐射 计 4 光阑 5 V(λ)滤光片 6 ,7 带快门光阑 8,9 固定光 阑 10 发光强度副基准灯 11 光阑 12 辐射吸收阱 13 瞄准仪
发光强度副基准与工作基准
* 发光强度副基准---发 光强度灯 * 工作基准--由发光强 度副基准（发光强度 灯）传递的其它各级 标准灯(白炽灯、荧光 灯、钠灯等）;
tot
2
0


0
I ( , ) sin dd
* 照度积分法： tot 可以是近场测量 探头f2’要好

0
2

0
r E ( , ) sin dd
2
用分布光度计测量光强分布
• 测量距离需足够大， 使平方反比定律成立
I ( , ) d 2 E ( , )
灯座
辅助灯座及挡屏
积分球测光- 校准标准灯
* 属于相对法测量： 测得的量值是相对值，绝对值需与标准灯校准按比例乘积 得到； * 校准标准灯很重要，理想情况下应与被测灯各方面是相同 的； * 特别是灯的配光、色温及光谱分布、尺寸形状等； * 目前的大多数校准标准灯是白炽灯，它与很多传统灯以及 LED灯在这些方面差异很大，引起测量误差。
• 标准对f1’的要求
中国
照度计（JJG245） 标准级 一级 二级 3.5% 6% 8%
亮度计（JJG211）
3.5%
5.5%
8.0%
德国
照度计
Class L
Class A
Class B
Class C
1.5%
3%
6%
9%
亮度计
2%
3%
6%
9%
光谱法测量-光谱辐射计
• 机械扫描式光谱辐射计：精度很高，但测量时间长
光度法测量 - 积分光度计
• 物理光度计测量都可归结为照度的测量，照度测量可以分 为：①相对测量:只需给出照度的相对大小，而通过与基 准比较得到照度的量值，例如积分球测光通量。②绝对测 量：需要给出照度的量值，例如路灯照明现场的测量； • 照度计的构成：由光度头、电流—电压转换及放大线路和 示数仪表三部分构成。
光生物安全
• 有的传统照明产品的光生物安全问题比LED严重，例如金 卤灯的紫外线很强，高色温石英卤素灯紫外线较多和一些 非常高色温荧光灯的蓝光比较低色温的LED强。 • 主流照明用LED中，没有紫外线和红外线，所以无紫外线 和红外线伤害； * 据检测结果统计，个别无磨沙罩的灯种出现过II类危害 （中度危害），LED灯和灯具75-80%为0类（无危害）和 20-25%为I类（低危害，实际上正常使用也无危害）
分布光度、色度计
• A-α 系统
B-β 系统 C-γ 系统
几种典型的光分布测量系统
灯具旋转式分布光度计（卧式）
样品姿态在测量中发生变化
反射镜周转分布光度计（立式）
样品位置在测量中很少变化
中心旋转反射镜 分布光度计（立式）
样品位置在测量中 发生大变化
用分布光度计测量总光通量
* 光强积分法： 属于远场测量
• 高精度快速光谱辐射计：
精度高(分辨率高， 波长准确率高， 暗噪声低)，毫秒 级测量速度
误差来源： 带宽 扫描间隔 波长准确度 光谱漂移 探测器非线性 ……
光谱法测量-光谱辐射计
光谱法测量-光谱辐射计
型号 积分时间 波长范围 波长重复性 波长准确度 杂散光(标准A光源) 色品坐标 (x,y)准确度 色品坐标(x,y)重复性 (恒温蓝光LED) 光度重复性 光度线性 光强灵敏度 光度精确度 A/D转换 2.5nm ±0.3nm 5.0E-051） ±0.0015
照度基准、亮度基准和标准
* 光度基准自身就是照度基准。 * 照度单位量值的传递则依靠光强副基准或标准。 I = E × d2 * 发光强度副基准或标准与测光导轨就组成了照 度基准或标准。 * 亮度基准或标准: 测量一均匀发光面的面积和它 在法线方的发光强度，就能计算它的亮度。
光度法测量
* 目视光度法--比较法 人眼能够很好地判断两个面的亮度是否相等。 但不善于分辨单一光亮度在数量上的变化。 * 物理光度法：积分光度探测器法，分光光谱探测器法
人眼构造、感光
* 人眼中有杆状细胞和锥状细胞两种感光细胞分别感知 光度和色度。 * 两种感光细胞基本结构是一样，但杆状细胞更细长， 仅有一种光敏色素但面积大，感知光度能力强； 锥状细胞有三种不同的类型，分别对三种不同波长 的光做出敏感反映，感知色度能力强。
光对人眼和皮肤的伤害
* 可见光、紫外线、红 外线都可对眼睛和皮 肤造成伤害 * 照明用的光更易于对 眼睛造成伤害 * 灯中红外线对眼会造成 伤害，但很少伤害皮肤
光及照明涉及的光
*光的波粒二象性是与普通电磁波的区别：微观上由光子组 成，具有粒子性(有能量，光产生光压力），宏观上又表 现出波动性 （衍射相干涉，绕射到背后）
E = hν= h/λ= mC
能 量 ： E — 焦耳 波动性 ： h — 普朗克常数；ν—频率 ；λ— 波长； 粒子性 ： m — 质量， C — 光速
一级
±4.0% 6% 4% ±1% ±1% -0.5% 2% 1.5% ±0.5%/℃
二级
±8.0% 8% 6% ±2.5% ±2% -1% 4% 2.5% ±1.0%/℃
光度法测量 - 积分光度探测器
• 光度头的构成：由光电探测器，V(λ)修正滤片、余弦修正 器组成。
光度法测量 - 光度探头的匹配
光对人眼和皮肤的伤害
* 紫外灯及照明用灯中的紫外线对眼睛 和皮肤造成伤害都 较严重
照明视觉-光度
* 人眼的视觉神经对不同波长光的感光灵敏度是不一 样的，对绿光最敏感，对红、蓝光灵敏度较低。 * 由于受生理和心里作用，不同的人对各种波长光的 感光灵敏度也有差异。 * 国际照明委员会（CIE） “标准光度观察者”确定了 人眼对各种波长光的平 均相对灵敏度，称为光 谱光视效率，或“视见 函数”
1）
HAAS-2000 9ms-60s
德国CSA140CT 9ms-30s 380-780nm (标准) 2.5nm ±0.3nm 1.00E-03 ±0.002 NA
美国OL770 20ms-60s
2.0nm ±0.5nm 2.50E-04 ±0.002
±0.00015x，±0.0002y
±0.00015x，±0.0002y
E E1 4R 2 1
E
4R 2 1
实际测光积分球
• 实际的积分球是肯定有 变形的; 反射涂层不均匀、 反射率各不相同(涂层材 料不同)以及有一定的非 灯杆 光谱中性; 且内置物件较 多例如灯座及支架、挡光 挡光板 屏、辅助灯等。这些都会 引起误差
±0.2% ±0.3%
1）
NA ±1% 0.02mcd ±4% 15 bits/NA
NA NA NA ±5% 16 bit/250kHz
0.01mcd ±1%
2）
16 bits/1.25MHz
理想测光积分球
理想的积分球应该是内球面各处半径完 全相等, 各处具有较高的反射率、呈光谱 中性且均匀一致的朗伯漫反射涂层，球 体内部没有任何其它物体甚至标准参考 灯和被测灯也都只是一个虚无的发光点 等等。 不加挡板: 加挡板:
照明视觉-色度
* 颜色不是纯粹的物理量，它是涉
及到物理学、生物学、 心理学 和材料学等很复杂的学科。 * 色度学是对人的眼睛与大脑行为 所构建的有关颜色方面 的物理关系表述。 * 国际照明委员会标准观察者的多 方实验得出的CIE1931色度图 * 经数学变换CIE1976 色度图
光色度的确定
* CIE 确定的三原色：红光 700nm, 绿光546.1nm(汞）， 蓝光435.8nm（汞），其它色度学参数以此为基础。 * 三原色中任一种不能被其它两种所匹配。三色之间覆盖 的三角形面积大，容易实现匹配其它颜色。 * 人眼不能区分700-770，所以它们有相同的坐标。 * CIE规定了等能白光E（三种原色的辐射能相等， CCT=5400K）由三原色的光通量按下列比例构成： FR : FG : FB = 1：4.5907：0.0601 等能白光E点的色度坐标为：xE=0.3333, yE=0.3333, Zc =0.3333 * 其它颜色混色：F = r（R) + g (G) + b (B) = r × 1 + g × 4.5907 + b × 0.0601
人眼对颜色及色差的识别能力
* CIE1931为非均匀色度 空间 * CIE1976为均匀色度空 间
人眼对颜色及色差的识别能力
* 成千上万种颜色, 人眼只能分辩 出红、橙、黄、草绿、绿、 蓝绿、蓝、紫、白9大类颜色。 * 人眼对于颜色的差异分辩力很强, 即使两种很接近的颜色物体放 在一起, 人眼也很容易感觉到它 们的差异。 * 一般来说, 对于处于1～2级的麦 克亚当椭圆内的人眼比较难觉 察到色差; 对于3级的, 可觉察到 色差; 对于5、7级及以上的, 比 较明显或很明显觉察到色差。
照明视觉-光度
* 人的眼是由视网膜的杆状细胞来感受明度， 分为明视觉和暗视觉。 - 明视觉最大光谱光视效能为 683 lm/w (555 nm) - 暗视觉最大光谱光视效能为 1699 lm/w (507 nm)- 中间视觉最大光谱光 视效能位于两者之间 例如路灯环境3cd/m2 * 照明方面大多数采用明视觉
• 光度探头的视见函数V(λ)失配系数很重要，用f1’来表示
1 LED V() srel CIE Illuminant A
0.8
0.6
0.4
0.2
0 350
400
450
500
550
/ nm
600
650
700
750
800
850
* 光度探头的方向性（余弦函数）失配系数也很重要，用f2’ 来表示
光度法测量 – 对光度探头的要求
耀嵘业务基础知识培训 LED光色度学知识及量测
工程部：于欢欢 2014.12.23
1Leabharlann Baidu
光及照明涉及的光
1.
光的本质
* 380-780nm(或400-800 nm) 的电磁辐射电波; * 光被人眼再由大脑所感知的 主观感觉:红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 等; * 照明光生物安全所涉及的看 不见的：紫外线（200-400 nm），红外线（800-140， 140-3000 nm）
光度基准
* 光强： 1960年10月十一届国际计量大会确定了国际通用的国际单 位制，SI制：七个基本单位：长度m，时间s，质量kg， 热力学温度（Kelvin温度）K，电流单位A，光强度单位cd （坎德拉），物质量mol七个基本物理量之一 * 光度基准 （光度原级标准 ）：计量基准必须满足稳定和 可复现两个基本要求 * 烛光为国际标准的发展历程： 蜡烛 - 白炽电灯（稳定好但复现差） - 铂凝固点黑体 540×1012Hz辐射的光源
光度法测量 - 积分光度计
• 我国JJG245-2005对照度计的分级
指标
相对示值误差 V(λ ) 匹配误差 余弦特性(方向响应)误差 非线性误差 换挡误差 疲劳误差 红外响应误差 紫外响应误差 温度系数
标准级
±1.0% 3.5% 2% ±0.3% ±0.2% -0.2% 1% 0.5% ±0.2%/℃