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LED照明性能測試概述
   
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  作者:財團法人台灣電子檢驗中心 發表於2011/10/17 上午 10:48:04
 

LED照明性能測試概述

財團法人台灣電子檢驗中心  謝政宏

前言

    隨著科技的日新月異與市場趨勢潮流,市場上有各種照明燈具供選擇,如:螢光燈管(Fluorescent lamp)、冷陰極管(Cold Cathode Fluorescent Lamps,CCFL)、發光二極體(Light Emitting Diode, LED)…等諸多型式;然而隨著綠色節能產業逐漸抬頭,近年來全世界對於環保、節能減碳議題日加重視,LED產品具備無汞、多種色彩(相關色溫)可供選擇、省電,壽命長之特性,已為世人重視且進而選購之節能產品之ㄧ。

    現階段LED照明燈具的開發,注重燈具效率與照明品質,因此燈具配光曲線設計與LED光源之使用是其重要關鍵之所在。其中,配光曲線設備(Goniophotometer)可量測待測光源不同角度之光強度分佈,進而得到該待測燈具之光形與總光通量;積分球(Integrating Sphere)則可在短時間內量測燈具色度特性(演色性、相關色溫、光譜圖…),為照明燈具特性不可或缺的量測設備。本文將針對配光曲線儀與積分球量測應用作一簡單概述。

配光曲線量測系統之應用

    配光曲線量測系統針對LED照明產品,提供待測光源光強度分佈(Candlepower distribution)、總光通量(Total luminous flux)、發光效率(Luminous Efficiency)、區域流明密度(Zonal Lumen Density)…等相關特性,其概略說明整理如下:

(1)光強度分佈(Candlepower distribution)

    光強度分佈係指燈具在空間各方向上的發光強度,此空間各方向之強度分別用數值與圖形表示出來;然而用以量測照明燈具空間各方向光強度分佈的數據之設備,稱為配光曲線儀或測角光度計(Goniophotometer)。

    為進行不同照明燈具的光強分佈特性分析與比較,一般常將燈具之實際空間光強度值(絕對值大小)除以裸光源之光通量後,再以cd/1000lm (cd/klm)相對方式繪製配光曲線。因此,若欲從配光曲線(cd/klm)了解實際光強度,則必須將曲線之光強度值乘以光源實際光通量(lm)與1000(lm)之比值。

(2) 總光通量(Total luminous flux)、發光效率(Luminous Efficiency)

總光通量:指LED光源向周圍空間輻射出的光通量,單位為流明 (lumen, lm);總輸入功率:LED燈具在控制裝置以額定電壓操作下最大負載之總消耗功率(實功率)。

    發光效率(lm/W)定義為每瓦特(W)電力能產生多少流明(lm)之光通量,燈具製造廠商與消費者常以發光效率來評估照明燈具好壞、省電與否,ㄧ般發光效率、燈具使用壽命都會標示於產品型錄或包裝外殼上,基於平常維護方便、使用成本之考量,選用發光效率高、壽命長(光衰少)燈具,是消費者考量選用燈具與否指標之ㄧ。

(3) 區域流明密度(Zonal Lumen Density)

    區域流明密度:某角度內光源輻射的部份光通量與光源輻射的總光通量比例値。為能達到良好之生活環境,週遭照明需考慮眾多因素,在同樣照明高度下,直接照明效率較高,缺點為照射面積小、眩光影響大;間接照明效率差,但照射面積廣大、光分佈較均勻舒適。換言之,舒適感與燈具效率洽為相反、彼此需協調之,視照明週遭環境性質需求而定,商業、辦公場所照度需求高,燈具發光效率為其主要考慮因素;居家照明環境則較注重居住舒適暖活,非直接照射之間接照明較合適。

積分球之應用

    積分球針對LED照明產品,提供待測光源演色性(Color rendering index, CRI)、相關色溫(Correlated color temperature, CCT)、色度座標(Chromaticity coordinates)…等相關特性,其概略整理如下:

(1) 演色性(Color rendering index, CRI)

    演色性指數:以待測光源與參考光源照射 CIE 13.3指定之顏色試片,以參考光源為100%,比對同一顏色試片在兩光源照射下所呈現之相對顏色差異指數。綜合前1至8號演色性指數之平均值為該待測光源的平均演色性指數。

    人眼在不同的光色下看到的物色會改變,感到物色失真。這種影響物色的特性稱之為演色性。國際照明委員會(CIE)於1974年推薦驗色法以評估光源的演色性,將標準物色用參考光源與待測光源照射下位移量規定待測光源的演色性,用演色性指數表示。CIE規定完全輻射作為參考光源並定為100,並制定8種測試用的試驗色。

    選用演色性Ra愈高之燈具,對於周遭環境與物品色彩表現上愈鮮豔,然而燈具之售價也愈高,ㄧ般場所Ra要求概略如下:販售商品之賣場Ra≧90、ㄧ般室內場所Ra≧80、ㄧ般戶外場所Ra≧70,ㄧ般依功能區別不同,愈能顯現物體自然顏色之光源,演色性值愈高、愈受消費者選購之喜愛。

(2) 相關色溫(Correlated color temperature, CCT)

    色溫:光源發射的光色與普朗克軌跡 (Planckian Locus)對應之黑體在某一溫度下輻射的光色相同時,該黑體的溫度稱為光源的色溫(Color Temperature, CT)。
    相關色溫:人造光源發射的光色與黑體在某一溫度下輻射的光色,與黑體最接近的光色稱為相關色溫(Correlated Color Temperature, CCT),單位為K(Kelvin)。

    般而言以色溫5,000K為界限,色溫低於5,000K者稱為暖色系(偏紅),高緯度地區國家,因寒帶氣候關係較喜愛之;反之,色溫高於5,000K者稱為冷色系(偏藍),低緯度地區國家,因亞熱帶氣候關係較喜愛之,故照明色溫會影響使用場所之氣氛,應隨周遭環境照度不同適當地作改變。

(3) 色度座標(Chromaticity coordinates)

    CIE 1931色度座標圖:以CIE 15中標準色度觀測者之色匹配函數所求得的座標(x,y)。人眼對光色的感知是錯綜複雜的過程,為將光色的描述加量化,國際照明委員會 (CIE)根據標準觀測者的視覺實驗,將人眼對不同波長輻射能所引起的視覺感加以記錄,計算紅、綠、藍三原色的配色函數,經數學轉換後,國際照明委員會 (CIE)於1931年制定了XYZ表色系,將人眼相對可見光的刺激值XYZ,經計算得到色度座標x、y值,稱為 CIE 1931色度座標圖。



    CIE 1976色度座標圖:亦可稱為CIE 1976 UCS (Uniform Color Space)色度座標或u' v'色度座標。為了改善CIE 1931色度座標與人眼視覺之不均等性,CIE利用線性轉換,將三刺激值 X、Y、Z或 x、y座標代入如下公式:

    挑選合適LED照明產品對消費者生活週遭影響甚大,LED照明燈具特性要求愈來愈多,發光效率高、高演色性、壽命長、合適色溫、眩光小之照明燈具,都是現階段LED照明產品追求之目標。為滿足廠商需求提供有效快速的量測服務,協助產業打通國際驗證通路行銷世界,標檢局(BSMI)與台灣電子檢驗中心合作建立之「LED照明實驗室」,已完成光學(配光曲線、積分球量測)能量建置,已於今年(100年)七月正式取得TAF認證,可提供業界測試、分析等相關服務。

 
分類:數位終端設備/應用加值軟體
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