杭州浙大三色儀器有限公司 摘 要：
燈具分佈光度計是一種大型的精密光學測試設備，目前有幾種結構形式。本文從分佈光度測量要求出發，分析了現有幾種分佈光度計在結構上的差異及應用中存在的問題。合理、舒適的照明，不僅可以滿足人們日常生活的需要，更能提供一個安全、節能、高效工作的視覺環境。燈具的分佈光度性能是影響照明品質的最關鍵因素。採用科學的測試方法、選擇合適的儀器是獲得準確的燈具分佈光度特性的基礎。燈具的分佈光度測量是燈具設計和照明設計中品質控制的重要環節，尤其是隨著新光源和新興照明技術的發展，對燈具分佈光度測量提出了新的挑戰。國際上目前有多種結構的燈具分佈光度計，採用不同的原理方案實現燈具空間光分佈的測量。由於設備製造商的技術水準差異，使得測試設備在實際應用中存在各種各樣的問題。某些商業的宣傳也誤導了使用者的認識，使測試資料不能應用於實際的照明工程，無法在國際上進行對比交流。
一、 分佈光度測量的基本要求
對於分佈光度計，根據測試的需要，有如下要求： 1、光度測量距離
發光強度的測量是通過測量某一定距離上的照度，根據光度學的距離平方反比定律，計算得到光強值。
即：I(C,r) = E(C,r) * R2(C,r)
其中：I 為測試方向上的光強，E 為探測器光電接收面的照度， R 為測試距離．
但是對於許多燈具，尤其是LED 燈具，近場的光度定律不適用，CIE 檔對此作了明確的規定，燈具的光度測試距離應足夠大，滿足如下條件[1][2]
對於螢光燈類燈具 R>D × 10 對於投光燈類燈具 R>D × 200/θ
D: 發光面積最大尺寸 θ: 光束的半峰邊角
通常，採用兩種測量距離：寬光束燈具為：12m~15m，窄光束高強度燈為30m~35m，保證遠場測量精度。
2、 光度測量精度
光度探測器是分佈光度計的重要組成部分之一，探測器的光譜回應S (λ)精度應與人眼的明視覺光譜光視效率函數V(λ)一致，即S(λ) =V(λ)。根據國際照明委員會CIE 規定，對於氣體放電燈的光強分佈測量，探測器的V(λ)匹配誤差f1’應不超過2%。要使探測器的光譜回應匹配到與V(λ)曲線一致，通常採用一組不同材料的濾光片，加在矽光池前面。由於受玻璃材料的光譜透射比曲線的限制，要達到f1’小於2%的精度並非易事。因此高精度的分佈光度計的探頭還需從德國進口。也有一些探頭採用部分濾光片法實現精確V(λ)的匹配。這種光度探測器只適合於均勻光束的測量。在分佈光度測量中，空間光束分佈極不均勻，部分濾
光片法匹配的探測器，實際應用的誤差會非常大。
目前在分佈光度計中應用的矽光電探測器，靈敏度會隨溫度升高而降低，溫度變化1℃，大約會引起0.1%的靈敏度變化。此外光電流放大電路的倍率也會受溫度的影響。因此必須對光度探頭和電路恒溫，溫度應控制在1℃以內。
3、 角度精度
分佈光度計測試的是燈具在各個方向上的光度資料，對其旋轉和定位系統的角度精度有較高的要求，包含角度精度、軸線精度、反光鏡面形精度等。
對於帶反光鏡的分佈光度計，反光鏡的平面度非常重要，面形誤差和角度安裝誤差都會以兩倍影響角度精度；面形誤差還會影響測量光束的空間特性，引起更大的測量誤差。如果在測量過程中探測器的測量光束軸相對於反光鏡需作空間旋轉（錐面）運動，那麼反光鏡的面形誤差將以四倍影響角度精度。目前國際上高檔的分佈光度計，反光鏡與鏡架均採用特殊的結構連接，浙大三色公司和德國LMT 公司製造的分佈光度計，反光鏡採用局部連接的方法，鏡面的平行度通過鐳射精確校準。某些設備的反光鏡採用直接粘結的方法，鏡面平面度很難保證，粘結膠固化會引起鏡面內的應力，使鏡面鍍層脫落、鏡面玻璃產生雙折射誤差等問題。長期使用中鋼架會時效變形，使鏡面造成永久性的扭曲，不可調校。
4、 雜散光
雜散光是分佈光度測量中影響測試精度最重要的因素之一。在分佈光度測量設備的選購、實驗室建造中必須引起足夠的重視。應該注意的是，任何黑色的表面也都存在百分之幾的光學反射。雜散光的影響對於測量窄光束燈具尤其明顯，例如，若投光燈的光束角為4°，即使環境的反射比只有1%，背景雜散光的影響將引起總光通量的誤差約達40%以上。因此，分佈光度計中的光電探測器應只接收燈具發光面或僅從反光鏡反射後的光束，其它雜散光，如反光鏡邊緣、地面、牆面等反射引起的雜光應予消除。實際的實驗室中應在測試燈具、反光鏡和探頭之間分別設置一系列的光闌，光闌的通光孔徑與測量光束的孔徑相對應，嚴格控制環境的雜散光。 二、幾種分佈光度計的結構
目前常用的分佈光度計結構有旋轉反光鏡式分佈光度計、運動反光鏡式分佈光度計和旋轉燈具式分佈光度計等幾種，各種結構各有其優勢，實際應用中應發揮其長處，避免或減少其不足所帶來的影響。
1. 旋轉反光鏡式分佈光度計
這種分佈光度計結構是國際照明委員會CIE標準中推薦的方法，最早由德國開始製造，至今在全世界有八十多個實驗室應用，PHILIPS在全球的八個實驗室全部採用了這種結構的設備。我國從德國引進的兩套燈具檢測設備（南京華東電子集團和寧波燎原燈具股份有限公司）均採用這種結構。PHILIPS亞太燈具研發中心和上海國家燈具品質檢測中心等國內外二十多個實驗室也均採用了浙大三色製造的這種設備。在燈具光度測量領域被認為是一種經典的設備。
圖1：旋轉反光鏡式分佈光度計
如圖1，旋轉反光鏡式分佈光度計中有三個旋轉軸。主軸驅動反光鏡繞其中心點旋轉，將燈具的光反射到探測器上。與此同時，燈臂調整軸同步逆向旋轉始終保持燈架處於垂直位置，從而實現燈具在γ方向的測量。探測器與旋轉主軸處於同一直線上，根據測試燈具的類型及功率，探測器離開反光鏡的距離可以調節，一般採用兩種光度測試距離。C-γ軸旋轉實際等效於探測器圍繞以燈具為中心的垂直球面旋轉主軸（水準軸）的旋轉，實現燈具在γ方向的測量，它的運動軌跡相當於地球的緯線方向。探測器測量各經緯線交叉點上的照度值。這種結構中的燈具可在C-平面或錐面系統中測量。
在旋轉反光鏡式分佈光度計中測量光束軸線恒定不變。在儀器的光電探測頭和測量燈具之間均勻地安裝有幾個消雜散光光欄；燈具照到地面、牆面等其它表面上的反射雜光被光闌完全隔除。此外，在反光鏡後的第一個通光孔上安裝電控光闌（如圖2），當測量各種不同尺寸的燈具時，還可以根據燈具的大小調整光欄通光孔尺寸，可更有效地消除鏡面非測量區上的雜散光。因此這種結構的設備雜散光極低，測量精度高。
旋轉反光鏡式分佈光度計可以採用兩個探頭，第一探頭與小反光鏡裝在十余米遠的電動轉檯上，用於測量小型、寬光束燈具。第二個探頭裝在數十米遠的位置上，用於測量大功率、窄光束（投光）燈具。儀器的測量方法完全符合CIE等國際標準對探頭距離要求，實現了真正的雙探頭測量，動態範圍大。這種結構的唯一爭議點是在測量中燈具需要作平移運動，流動的空氣會改變燈具周邊的溫度場分佈，由於祼光源和LED燈對溫度有一定的敏感，尤其低氣壓螢光燈，光通量與管壁溫度非常密切。因此國際照明委員會CIE根據專家的研究，對這種結構設備的燈具移動速度做出明確的規定，要求燈具周圍氣流速度應小於0.2m/s。因此實際測試儀中，測量的運動速度必須符合CIE的規定。例如目前浙大三色的GMS2000旋轉反光鏡式分佈光度計可有三種可選速度，分別為0.04m/s、0.03m/s、0.02m/s三種，我們對某一款氣流散熱敏感的LED燈具進行了對比測試，運動氣流對光強的影響小於0.05%，完全滿足LED燈具的測量要求。 2. 運動反光鏡式分佈光度計
運動反光鏡式分佈光度計在北美應用多一些，如圖3。在這種分佈光度計中，光度探頭固定，並位於光軸線上。在測量過程中，燈具只需做自旋運動，反光鏡繞著測量燈具運動，並將光信號反射到探測器上。測量光線以與光度探頭的法線成一定圓錐角入射。因此這種分佈光度計運動氣流對燈具溫度的影響較小。但由於測量光束繞圓錐變化，在探測器與燈具之間需設置圓環形的光闌來消除環境的反射雜光，消雜光性能不如上述旋轉反光鏡分佈光度計。此外，入射到探測器上的光束方向在測量過程中變化，探測器在各方向上的靈敏度不一致，將會引入一定的光度測量誤差。
3. 旋轉燈具式分佈光度計
這種分佈光度計的探測器固定在離燈具一定距離的位置上，燈具裝在可繞水準和垂直兩個方向旋轉的轉檯上。該轉檯的垂直主軸線是固定的，水準軸線可以移動，如圖所圖2：電動光闌。在電腦控制下，電機驅動垂直主軸旋轉時，光度探頭測量燈具在水平面上各方向的發光強度值。當一個平面測量完畢後，水準軸電機驅動燈具轉過某一角度，然後光度探頭再測量另一平面上的光強分佈。如此反復，垂直主軸連續旋轉，水準軸間斷運動，實現燈具在空間各個方向上的光強分佈資料的測量。這種分佈光度計比較適合於格柵燈具的測試。
由於這種結構的分佈光度計會不斷旋轉燈具，改變燈具的狀態。因此不適合於氣體放電燈等光電參數較容易受其工作狀態變化影響的燈具。
4. 雙鏡反射式分佈光度計
這種結構最早是由西班牙人提出的，並有文章介紹過[4]，但至今未被任何相關國際標準所採納。去年也有相關的公司按照這種結構製造測試設備，其原理結構如圖5，分佈光度計有兩個反射鏡，分別安裝在轉臂和遠離主機的架子上，探測器安裝在轉臂的另一端。燈具的測量光束由第一個反射鏡反射到遠處固定反光鏡上，再反射到安裝在旋轉臂上的探測器。
還有一種所謂雙鏡雙探頭的分佈光度計，在旋轉臂上又安裝了第二個探測器，光束接收方向直接朝向測試燈具，測試距離2米左右。根據國際照明委員會CIE的光度測試要求，這種測試距離不適合燈具和螢光燈等光源的光度測量，否則會引入很大的光度原理性誤差。
這種雙鏡式分佈光度計還有一個很嚴重的問題是雜散光大，如圖5。由於反光鏡和探測器均繞著中心軸旋轉，在探頭、反光鏡及燈具之間的光路上無法安裝消雜光的擋屏。反光鏡的邊緣、地面、牆面的反射雜光很大。如果探頭前加一個接筒，可以適當降低一部分雜散光，但不能從根本上解決雜散光問題。因此，用這種設備測量投光燈、路燈、LED燈等窄光束燈具，精度會比較差。
由於這種結構中主反光鏡和探頭旋轉運動，使固定的輔反射鏡上的入射和出射光束方向不斷改變，而反光鏡在各個方向的反射比不同，會產生較大的誤差。此外，由於測量光束不斷旋轉變化，反光鏡的面形誤差和安裝方向誤差將放大四倍，影響測量結果的準確度。
三、道路燈具的分佈光度測量
對於道路燈具的光度測試而言，目前路燈大部分採用氣體放電燈，最近也有一些LED燈具做樣板工程開始應用。對於氣體放電燈具的測量，要求測量燈具不能翻轉，因此一般需採用帶反光鏡的分佈光度計進行測量。當測量LED 路燈時，不論是旋轉反光鏡式分佈光度計，還是運動反光鏡式分佈光度計，都會有一個自旋轉運動，需注意LED 燈具的運動速度應滿足CIE NO.121 中規定的要求[3]。如果速度很快，則需在燈具附近安裝一個光監測探頭。
並應注意，該探頭不能對測量光束造成明顯的遮擋，同時牢固地跟隨測量燈具一起運動，電腦隨時測量運動過程中的燈具發光變化，並對空間光強分佈進行修正。這種參考光度補償測量的另一好處還可以消除由於燈具供電波動引起的發光變化誤差。
路燈等室外照明燈具的光束空間分佈往往比較陡峭，光束角窄，對測量系統及實驗室的消雜光要求比較高。在測試實驗室的建造中，應在測試燈具、反光鏡及探測器之間加上相應的消雜光光闌，避免地面、牆面、天花板等反射雜光。此外，路燈的發光口徑一般只有數十公分，若採用大尺寸的反光鏡測量，還應該調整限制光闌的通光口徑，使燈具投射到反光鏡上非測量區域的光束被光闌完全隔離，只讓反光鏡中心測量區域的光束進入探測器的光敏面。 四、總結
燈具的分佈光度測量是一項非常專業的工作，測試設備、實驗室結構及操作人員是影響測量結果的三項重要環節。尤其是路燈等室外照明燈具的測量，在設備的選型上一定要考慮燈具的光束性能，測試方法必須符合CIE 的遠場光度測量原則，尤其要注意測量設備及實驗室的雜散光影響。在測試設備的各個環節，要適當地安置相應的消雜散光闌，保證測試結果的準確度。
參考文獻：
1. IESNA，IES Lighting Handbook,NewYork,2000
2.CIE Technical Report, The Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions, CIE Pub. NO. 70
3.CIE Technical Report, The Photometry and Goniophotometry of Luminaires, CIE Pub. NO.121 4.An Automated Goniophotometer For Luminaire Characterization, V. F. Muñoz, J. Gómez-de-Gabriel, 15th Triennial World Congress, Barcelona, Spain,2002
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