圖文解析能源之星LED照明測量標(biāo)準(zhǔn)及檢測細(xì)節(jié)

 
　　美國能源之星(Energy Star)已陸續(xù)發(fā)布針對固態(tài)照明產(chǎn)品的檢測規(guī)范定義，文件當(dāng)中包含檢測項目、檢測方法依據(jù)的規(guī)范、須檢測的樣品數(shù)量及合格判定的規(guī)格數(shù)值，另外對于可進行測試的授權(quán)實驗室也有明確說明。在能源之星對固態(tài)照明產(chǎn)品測試所引用的規(guī)范當(dāng)中，異于傳統(tǒng)照明的部分，包含ANSI C78.377-2008、北美照明協(xié)會(IESNA)LM-79-08、IESNA LM-80-08三份規(guī)范(圖1)，本篇文章將僅就ANSI C78.377-2008及IESNA LM-79-08的檢測細(xì)節(jié)進行說明，并針對檢測所需的儀器設(shè)備原理介紹。

圖1 能源之星對固態(tài)照明之檢測規(guī)范依據(jù)：ANSI C78.377-2008、IESNA LM-79-08、IESNA LM-80-08

　　固態(tài)照明燈具色溫等級較廣

　　此規(guī)范包含美國國家標(biāo)準(zhǔn)中針對固態(tài)照明產(chǎn)品的光色特性規(guī)格定義，適用于室內(nèi)使用的燈具，不包括戶外燈具。其中，重點有兩部分，其一是定義相對色溫(CCT)的分級，其次是針對同一相對色溫標(biāo)稱等級其允許的色溫變異范圍作定義。

　　規(guī)范中所述固態(tài)照明的光色規(guī)格要求，源自于熒光燈的光色分級規(guī)格，但有鑒于固態(tài)照明尚處于起步階段，未如熒光燈發(fā)展已趨于成熟，因此在定義光色要求時，采取較大的變異范圍。目前規(guī)范對固態(tài)照明燈具區(qū)分為八個色溫等級，分別為2700K、3000K、3500K、4000K、4500K、5000K、5700K及6500K(圖2)。

 
圖2 八個相對色溫指定值在CIE 1931之區(qū)域定義

　　圖2中六個橢圓區(qū)塊為ANSI C78.376定義熒光燈的色溫等級區(qū)塊，其所采取的色溫允許變異范圍為七階MacAdam橢圓范圍。對于固態(tài)照明，將允許變異范圍加大，圖2中的八個菱形區(qū)塊即為固態(tài)照明的八個色溫等級色度坐標(biāo)(x,y)范圍。色溫分級有助于固態(tài)照明供貨商及使用者有共同的色溫標(biāo)準(zhǔn)語言。另外，此規(guī)范也定義演色性(Color Rendering Index, CRI)，作為評估固態(tài)照明光色特性的另一指標(biāo)。對于量測光色特性的方式，則對應(yīng)到LM-79規(guī)范。

　　固態(tài)照明不適用傳統(tǒng)量測　IESNA定義新方法

　　IESNA LM79-08于2008年公布，為測試方法的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，內(nèi)容針對固態(tài)照明的發(fā)光效率(單位：每瓦流明數(shù)(lm/W))、光通量(單位：流明(lm))、光強度的空間分布、色度、色差、光色空間均勻性、相對色溫及演色性等進行量測方式與對應(yīng)設(shè)備要求定義。

　　先前傳統(tǒng)照明多是將燈具及光源分開量測，但固態(tài)照明可能出現(xiàn)燈具及光源合為一體的情況，因此原先針對傳統(tǒng)照明定義的規(guī)范并不適用。IESNA特別制定此規(guī)范，希望藉由定義量測程序方法，將表現(xiàn)固態(tài)照明特性的參數(shù)，具有量測可重現(xiàn)性，并統(tǒng)一固態(tài)照明產(chǎn)品光電特性的量測手法，避免因量測方式不同造成爭議。

　　該規(guī)范適用于以發(fā)光二極管(LED)為主包含電子控制裝置及散熱機構(gòu)，且使用交流或直流電源驅(qū)動的固態(tài)照明產(chǎn)品。此規(guī)范所涵蓋的固態(tài)照明產(chǎn)品是一個結(jié)合燈具與燈源的照明產(chǎn)品，如整合式LED燈泡，不包含須額外使用電子控制裝置或散熱機構(gòu)(如LED芯片、LED組件及LED模塊)的固態(tài)照明產(chǎn)品，也不涵蓋供LED光源使用但不包含LED光源販賣形式的燈具。另外，此規(guī)范也不適用于確定個體間產(chǎn)品性能的差異。

　　測試環(huán)境溫度須控制

　　此份規(guī)范定義量測時的環(huán)境溫度為25±1℃，且量測時，溫度量測點須距離燈具1公尺內(nèi)，高度須與燈具同高并避免光源的輻射熱影響。量測時固定燈具的治具，也須避免熱傳導(dǎo)及阻礙空氣的自然流動。此外，此規(guī)范量測的光電性能，不須將燈源或燈具進行1,000小時的點燈后才進行測試。

　　為確保待測燈具在測試過程中是穩(wěn)定的，測試前燈具須進行熱燈動作，使溫度達到平衡，熱燈時間則依燈具而定，如整合式LED燈泡約需30分鐘就能達到平衡，大型燈具可能需1小時或更久的時間。

　　是否達到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，可用光源輸出如固定點的光強度或消耗功率的表現(xiàn)來判定。若熱燈30分鐘，在15分鐘內(nèi)至少取三個量測值，將最大值減最小值的差除以平均值，結(jié)果須小于0.5%，如此可判別燈具是否已熱機完成，實際熱燈時間須于檢測報告中注明。量測過程中燈具的擺放方式須為燈具在正常使用下的姿態(tài)。

　　此份規(guī)范定義兩種光通量的量測系統(tǒng)方法，一是使用積分球系統(tǒng)，另一種則為使用配光曲線儀系統(tǒng)。使用哪種系統(tǒng)須依據(jù)所要量測的量(顏色、光強度分布)及待測樣品尺寸等來決定。

　　積分球量測系統(tǒng)不需暗房條件

　　此方法適用于量測小尺寸固態(tài)照明燈具的全光通量及顏色特性，它的優(yōu)點是快速、且不需暗房即可量測，在球內(nèi)量測時空氣的擾動可降低，但對于包含散熱裝置的整合式燈具就要注意散熱導(dǎo)致溫度的上升。

　　LM-79對于積分球的選用有幾項重點：首先是積分球的尺寸應(yīng)要夠大，以避免燈體發(fā)出的熱能使溫度升高，以及因文件板及待測燈體自行吸收所導(dǎo)致的量測誤差。另針對積分球的大小，若是量測小型燈泡(如傳統(tǒng)燈泡、省電型燈泡)，建議球體直徑≧1公尺；量測4呎(約120公分)的熒光燈管、HID燈等較大燈型，建議球體直徑≧1.5公尺；量測500W或更大功率的燈型，則建議球體直徑≧2公尺。

　　規(guī)范中定義使用積分球各裝置的幾何架構(gòu)如圖3所示。共有兩種，一種為4π，另一種為2π。在4π的幾何架構(gòu)，固態(tài)照明產(chǎn)品的總表面積不可超過球壁總面積的2%，例如，在一個2公尺積分球內(nèi)，待測物若為一個球狀物，其直徑必須小于30毫米。若為線狀產(chǎn)品，其縱向尺寸應(yīng)小于球直徑的三分之二。在2π架構(gòu)，安裝固態(tài)照明產(chǎn)品的開口直徑應(yīng)小于球直徑的三分之一。另外固定燈具的治具不可導(dǎo)熱，以避免影響球體溫度。

　　圖3 積分球裝置之幾何架構(gòu)。(a)為4π架構(gòu)，燈體放置于球體中心，(b)為2π架構(gòu)，適用于前射發(fā)光型之光源，燈體放置于球體側(cè)面。

　　內(nèi)部涂層反射率則須達90～98%。積分球內(nèi)的涂層反射率較高，于量測時可得到較高的訊號，且對于積分球內(nèi)不均勻的空間響應(yīng)及固態(tài)照明光強度分布變化所引起的誤差也可降低。但反射率高時，球體開口尺寸大小對平均反射率的影響就須予以評估。

　　積分球內(nèi)應(yīng)裝有輔助燈，其作用在于評估燈體自吸收的部分，以得到自吸收因子。檔板大小應(yīng)盡量縮小，但須能防止球體所允許量測最大尺寸燈體的光線直射偵測器。而文件板的放置位置，一般建議為從偵測器算起，介于球半徑三分之一至二分之一長度的距離為文件板位置。另外輔助燈也須有檔板，作用一樣是避免光線直射偵測器。

 
圖4 常見用以校正用之石英鎢絲白熾燈

　　測量全光光譜輻射通量的標(biāo)準(zhǔn)燈通常是石英鎢絲白熾燈(圖4)。它有較寬的連續(xù)光譜表現(xiàn)，因此用以校正可見光域的光譜輻射計。對于2π球體，僅需前半面發(fā)光的標(biāo)準(zhǔn)燈，作法可將石英鎢絲白熾燈，加上反射罩使光線為前射型。對于4π球體，通常使用全向發(fā)光的標(biāo)準(zhǔn)燈，但也可用前射標(biāo)準(zhǔn)燈。

　　須注意的重點為標(biāo)準(zhǔn)燈的點燈擺放位置將影響結(jié)果，也就是說，如果標(biāo)準(zhǔn)燈送往校正單位進行量測時，其擺放位置為何，在傳遞至待校正的系統(tǒng)時，標(biāo)準(zhǔn)燈擺放的方式要相同。另外對于待測光源的光型分布與標(biāo)準(zhǔn)燈的光型分布差異大時也會影響量測值，例如，待測光源是窄角光型的分布，但標(biāo)準(zhǔn)燈為全向近乎等量的光型分布，若以此種標(biāo)準(zhǔn)燈進行校正，再量測窄角光型燈源，結(jié)果必定差異很大，因此可準(zhǔn)備多種光型分布的標(biāo)準(zhǔn)燈進行校正，以量測不同光型分布的待測樣品。 以積分球形式量測可搭配兩種偵測器，一種為V(λ)亮度計(積分球-亮度計系統(tǒng))，另一種為光譜輻射計(即光譜儀)(積分球-光譜輻射計系統(tǒng))。

　　與亮度計共享可量測全光通量

　　積分球-亮度計系統(tǒng)所使用的V(λ)亮度計可用以量測全光通量，但對于亮度計探頭上的濾片，其光譜響應(yīng)S(λ)對人眼的明視覺光譜視效函數(shù)V(λ)匹配不佳時，將導(dǎo)致量測上的誤差，尤其是固態(tài)照明為白光光源時，多以藍光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生，在藍光波段的視效函數(shù)匹配不佳時，差異的比例就會加大，圖5即說明視效函數(shù)匹配問題。亮度計探頭的光譜響應(yīng)與V(λ)曲線不匹配的程度，CIE用來表示f''1，f''1值越小兩者間不匹配的程度越小。另外，使用V(λ)亮度計為偵測探頭時，無法進行光色特性的量測。

　　圖5 白光LED多以藍光激發(fā)黃色熒光粉，在藍光波段(圖中箭號表示)處，亮度計探頭的視效函數(shù)(虛線表示)響應(yīng)與CIE V(λ)匹配不佳時，差異的比例就會加大。

　　撘配光譜儀可消除V(λ)失匹配誤差

　　由光度量定義，只要測出被測光源的光譜功率分布，再與V(λ)加權(quán)積分，就可以求出相對應(yīng)的光度量，這種測量光譜光度量的方法為分光法。用分光法可以消除探頭的V(λ)失匹配和被測光源與標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜功率分布不一致所帶來的誤差。光源的光譜輻射功率分布由光譜輻射計測量，分光法測量光度量的精度主要取決于光譜輻射計的線性動態(tài)范圍、重復(fù)性、光譜波長誤差、雜散光和標(biāo)定誤差等。

　　藉由量得的光源光譜輻射功率分布即可進行光色特性數(shù)值的計算，包含色度、相對色溫及演色性(CRI)。

　　此類系統(tǒng)必須參照一個有校準(zhǔn)到全可見光域分光輻射通量標(biāo)準(zhǔn)燈來進行校正。其量測原理為通過與參照標(biāo)準(zhǔn)ΦREF (λ)比較，可得到被測固態(tài)照明產(chǎn)品的總分光輻射通量ΦTEST (λ)，關(guān)系式如公式(1)。 

………………公式(1)

公式(2)中，yTEST (λ)為待測樣品在此系統(tǒng)下的光譜輻射計的讀值、yREF(λ)為參照標(biāo)準(zhǔn)燈在此系統(tǒng)下的光譜輻射計的讀值，α(λ)則為自吸收因子。

 ………………公式(2)

yaux,TEST (λ)為不點亮待測樣品，點亮輔助燈，在此系統(tǒng)下的光譜輻射計的讀值；yaux,REF (λ)則為不點亮參照標(biāo)準(zhǔn)燈，點亮輔助燈時，在此系統(tǒng)下的光譜輻射計讀值。從測得的ΦTEST (λ)(單位：W/奈米)總分光輻射通量，可使用公式(3)計算總光通量 ΦTEST (單位：流明)。

………………公式(3)

　　欲獲得光源光型分布信息　非使用配光曲線量測不可

　　配光曲線量測系統(tǒng)可提供待測光源燈具光強度在空間中的分布，進而透過積分運算得到光通量，此時的光通量可經(jīng)計算得到全光通量、區(qū)域光通量的信息。

　　此系統(tǒng)也可支持較大型燈具量測。配光曲線量測系統(tǒng)須有暗房、良好的環(huán)境溫度控制及避免空氣擾動，尤其對于對溫度敏感的固態(tài)照明燈具尤其重要。因配光曲線儀為量測空間中各點的光強度值再進行運算，相較于積分球，配光曲線量測系統(tǒng)的量測很耗時，但對于必須得知光源光型分布的情況，就不得不使用此系統(tǒng)來量測。

　　配光曲線量測系統(tǒng)所使用的偵測器與前面所述積分球量測系統(tǒng)一樣，可搭配亮度計或光譜輻射計進行量測，于是配光曲線儀-亮度計系統(tǒng)及配光曲線儀-光譜輻射計系統(tǒng)應(yīng)運而生。LM-79特別要求使用亮度計的f''1須小于3%。不論是哪種系統(tǒng)都是量測燈源各方向的光強度值，再進行積分而得出光通量值。特別的是，若須要得知各角度的顏色分布，如能源之星針對固態(tài)照明要求量測各角度的光色差值時，就一定要使用光譜輻射計，才可得知待測燈源的光色特性。

　　C-γ配光曲線儀符合LM-79規(guī)范

　　配光曲線儀可分為A-α、B-β、C-γ三種形式，詳見圖6～8。為確保量測時的光源擺放姿態(tài)即為使用時的姿態(tài)，僅有C-γ符合需求，LM-79因此規(guī)定僅可使用C-γ形式的配光曲線儀。C-γ型配光曲線儀包含移動偵測器探頭及移動反光鏡的類別。

 
圖6 配光曲線儀A-α量測形式示意圖

 
圖7 配光曲線儀B-β量測形式示意圖

 
圖8 配光曲線儀C-γ量測形式示意圖

　　對于大型燈具，若要符合偵測位置須達最大發(fā)光尺寸直徑十倍距離遠的要求(LM-79第10.0節(jié)說明寬發(fā)光角光源為五倍，窄角光源須更遠)，礙于實際執(zhí)行空間的限制，便必須使用反光鏡。此時應(yīng)注意鏡子本身存在一輕微極化的因素，若量測發(fā)出極化光源的固態(tài)照明產(chǎn)品的光通量時，就會造成很大的誤差，因此推薦使用不帶鏡子的配光曲線儀。有些配光曲線儀會在旋轉(zhuǎn)背上直接裝設(shè)偵測器，如此即不須透過反光鏡，當(dāng)然，若燈具過大則無法使用。

 
圖9 配光曲線儀測試光通量示意圖

　　此外，也須注意配光曲線儀在環(huán)境雜散光的處理。包含燈具光源在機構(gòu)件上的反光、燈具本體的反光、地面墻面反光等，都應(yīng)加以評估并使用適當(dāng)?shù)募軜?gòu)，如在偵測期前裝置光陷阱(Light Trap)避免反射雜光進入偵測器，影響量測值。

　　配光曲線儀架構(gòu)發(fā)展久遠

　　藉由量測光強度分布I(θ,Φ)如圖9所示，光通量可由公式(4)求得。若以亮度探頭量測照度值E(θ,Φ)進行校正，光通亮的計算方式可由公式(5)計算出來。其中γ為相對于亮度探頭參考平面的旋轉(zhuǎn)半徑。量測光強度時，γ須要有足夠的長度。 

………………公式(4)

………………公式(5)

　　常見幾種配光曲線儀的運作架構(gòu)，有中心旋轉(zhuǎn)反射鏡式及圓周運動反射鏡式。這兩種架構(gòu)都已有幾十年的歷史了，中心旋轉(zhuǎn)反射鏡式其運作方式如圖10，待測燈具必須在相當(dāng)大的空間范圍內(nèi)繞著反射鏡反向且同步旋轉(zhuǎn)，在暗室中上部溫度高及下部溫度低的現(xiàn)象，溫差有時達到2～5℃，此時對溫度變化和氣流敏感的燈具如固態(tài)照明燈具，極可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，為降低氣流流動對燈具的影響，在運行時須放慢速度，量測時間也就增加了。

圖10 中心旋轉(zhuǎn)反射鏡式之配光曲線儀架構(gòu)示意

　　圓周運動反射鏡式其運作方式如圖11，待測燈僅自轉(zhuǎn)不須做大范圍的繞行，相對于中心旋轉(zhuǎn)反射鏡式的配光曲線較為穩(wěn)定，但根據(jù)CIE-70的規(guī)定，入射到偵測器的主光線應(yīng)被限制在2.5度內(nèi)，因此須要將量測距離拉長才可滿足此要求，但對于光線較弱的小型光源，如此長的量測距離，可能受限偵測器的靈敏度，不易量測。

圖11 圓周運動反射鏡式之配光曲線儀架構(gòu)示意

　　工研院量測中心目前使用配光曲線儀為圖12的架構(gòu)，燈具僅緩步自轉(zhuǎn)，且量測時燈具為使用時的擺放姿態(tài)，穩(wěn)定性佳。量測時有兩種模式，一為透過雙面反射鏡提供大型燈具的遠距離量測；另一模式不透過反射鏡提供小型燈具如嵌燈、E27燈等的近距離(約1公尺)的量測。

 
圖12 工研院量測中心之配光曲線儀及其量測光源路徑示意

　　配光曲線儀的校正

　　使用配光曲線儀進行光強度分布的測試，須使用照度或光強度標(biāo)準(zhǔn)燈進行國際標(biāo)準(zhǔn)追溯。若量測全光通量則須使用全光通量標(biāo)準(zhǔn)燈進行標(biāo)準(zhǔn)追溯，原則上標(biāo)準(zhǔn)燈的光型分布建議與待測燈源的光型相似。

　　LM-79特別說明使用配光曲線儀量得的光強度分布數(shù)據(jù)，須依照IES LM-63規(guī)范定義的格式，形成IES電子文件，以方便后續(xù)于照度分度上的模擬計算使用。

　　發(fā)光效率ηv的計算如下列公式(6)所述，為待測固態(tài)照明產(chǎn)品的總光通量ΦTEST除以總消耗功率PTEST，此指標(biāo)是用以評估固態(tài)照明電光效能轉(zhuǎn)換的重要指標(biāo)。

………………公式(6)

　　固態(tài)照明在顏色特性的量測上包含色度坐標(biāo)、相對色溫、演色性，對于固態(tài)照明其顏色特性在不同的空間角度可能是不同的，LM-79規(guī)范在第12.1至12.2節(jié)當(dāng)中進行定義。

　　第12.1節(jié)為使用積分球-光譜輻射計系統(tǒng)進行分光輻射通量的量測，再計算出顏色特性，此時量得的固態(tài)照明顏色特性為空間分布的平均表現(xiàn)。

　　第12.2節(jié)為使用前述配光曲線儀的機構(gòu)方式，搭配光譜輻射計或是色度計進行空間顏色特性分布量測。這個方式適用于無法使用積分球進行量測，如大型燈具。重要的是，此方法可量得固態(tài)照明光源的空間顏色差異。若要得到空間平均的顏色特性，就將空間中各點的顏色數(shù)據(jù)進行平均即可得到。

　　在量測θ=0°和90°(或更多的θ角)的色度坐標(biāo)和光強度時，首先在每個θ角上取平均，表示為x(θi)、y(θi)以及I(θi)，這里的θi=0°、10°、20°等直到180°。然后平均色度坐標(biāo)xa由下列加權(quán)平均式子算出，量測示意圖如圖13。

圖13 圖中為使用配光曲線儀量測固態(tài)照明顏色特性示意圖，該燈具為僅朝下半面發(fā)光之形式。

 ………………公式(7)

　
　　平均色度坐標(biāo)ya 也是使用相同的算法。此計算方式是近似算法但對于實際應(yīng)用已算是足夠正確。嚴(yán)格說來，若要很精確的進行顏色特性的空間積分須要經(jīng)由三刺激值計算X、Y、Z。

　　在使用光譜輻射計進行顏色特性的量測時，LM-79定義光譜輻射計的量測波長范圍至少為380～780奈米，這是可見光的波長范圍，掃描間隔為5奈米或是更小的間距，如此才可確保量測的精確性。

　　在兩個空間垂直平面(ψ=0o,ψ=90o)量測，空間平均色度坐標(biāo)是由前述公式(7)取得。LM-79中所定義的固態(tài)照明燈具空間色差Δu''v''為從計算空間平均色度坐標(biāo)的所有量測點中，對空間平均色度坐標(biāo)的最大差異(即在CIE(u''v'')坐標(biāo)圖中，兩點間最大距離)所決定的。

　　量測方法一致性可推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　　固態(tài)照明的發(fā)展目前正如火如荼的進行，為使固態(tài)照明取代傳統(tǒng)照明能順利推動，美國能源之星正積極展開相關(guān)計劃，期望藉由對固態(tài)產(chǎn)品特性量測方式定義的一致性，使產(chǎn)品能有一致的手法來評估，而得以分出固態(tài)照明產(chǎn)品的優(yōu)劣，使此產(chǎn)業(yè)有正向推動力。國內(nèi)業(yè)者要推動固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)除了國內(nèi)內(nèi)需市場、大陸市場，另一部分應(yīng)是歐美市場。而了解能源之星對固態(tài)照明的驗證量測方法并進行測試驗證，將有助于質(zhì)量的提升。