定向照明灯具空间颜色均匀性的快速测试评定方法

引言

随着LED光效及光色性能的提升、LED制造成本的下降，LED灯具相比传统灯具的优势愈发明显。一款高品质的LED定向照明灯具的光学性能有如下几个特点：一是光效高；二是光形可控；三是能够实现现场需求的任意光色；四是空间颜色均匀度良好。对于LED灯具空间颜色，由于LED一般采用芯片+荧光粉的发光方式，因此LED的颜色可以非常丰富。在LED灯具实际使用中，特别是在博物馆及大型商场等重点照明项目上，LED灯具出光的颜色均匀性会影响人对物品本身的分辨感知，因此行业对LED灯具出光的空间颜色均匀性提出了更高的要求[1]。

目前，LED颜色评价理论引入了一些新的参数，如光品质CQS、色偏爱指数CPI、全色域指数GAI、色分辨指数CDI等。这些参数指标的提出可以让LED灯具的光色可控性好、光色越来越舒适。但是关于光的空间颜色均匀性方面的行业标准较少，对它的测试评价比较困难。美国“能源之星”的标准对出光均匀性给出了相关的规定，要求Δu′v′需小于0.006[2]，测量方法采用分布式光度计设备，并采用测试标准IES LMP79-08和IES LM-58-13，CIE 15：2004。但是这种检测评定方法耗时久、成本高[3]，而且一般无法在现场提供分布式光度计进行测试，只能采用目视法定性判断LED灯具的光色性能。目视法虽然简单方便、比较直观，但是不能定量分析且受人的因素影响，不利于分析解决现场实际使用问题。为此，需要研究LED灯具出光的空间颜色均匀性测试方法及快速测试评价方法，从而确保LED灯具特别是LED定向照明灯具的光空间颜色均匀性满足高端LED照明的相关需求。

另外，高科技企业技术团队的高薪支出税费的抵扣也是企业的另一个关注点。以中国排名前几的技术有限公司为例，2017-2018年华为技术团队个人年薪30-60万不等，百度技术团队个人年薪35-60万不等，阿里巴巴技术团队个人年薪40-60万不等，腾讯技术团队个人年薪25-48万不等，其他职位最高年薪20万元以下。将各企业技术团队个人年薪折中与其他职位最高年薪作比较，由图3可以看出企业技术团队的高年薪支出成为企业迫切希望纳入进项税抵扣的一个关注点。

1 测试原理和计算方法

为了正确衡量LED定向照明灯具出光的空间颜色均匀性，通常采用分布式光度计进行测试，测试方法采用测试标准IES LM-79-08、IES LM-58和CIE 15：2004。

相比于最小二乘，随机抽样一致性算法能将具有明显偏差的干扰点去除；相比Hough变换，它在运算速度上有了很大的提高。用该算法拟合椭圆，速度较快，拟合精度更高，瞳孔部分遮挡情况下也能有较好的精度。

实验室分布式光度计测量灯具颜色均匀性的原理为：利用设备测试灯具的光谱，在图1中θ(0°～180°)方向、Φ(0°～180°)方向上等分为N份等角度的点，测量这些等角度点的色坐标值。然后根据色度学相关公式计算出每一点相对于中心点(或对于以照度值和空间立体角度加权平均值点)的色差，取最大值点来评价一款灯具的空间颜色均匀性[4-6]。

依据光谱仪测试的x、y数据，根据CIE 1960均匀色品标尺(UCS)图原理[7]，利用式(1)计算：

(1)

根据CIE 1976 UCS图原理公式：

(2)

(3)

图1 分布式光度计测试空间颜色均匀性的几何图
Fig.1 Geometry for the chromaticity measurement using a goniophotometer

得到u′、v′数值之后就可以根据测算数据进行计算Δu′v′了。灯具的空间颜色均匀性指标一般有两种计算方式，一种是以中心点坐标为标准参考点计算，其计算公式如下：

智能电网的发展要立足国家能源战略，结合我国能源资源禀赋和技术发展水平，并要充分考虑未来电网的发展趋势和形态特征，解决能源电力领域的核心问题。

(4)

另外一种计算方式是以各采样点的照度值和立体角因素加权，用加权平均值作为标准参考点计算。

φ=0°和φ=90°(或更多角度)的色度坐标和光强先在每个φ角求平均数x(θi)、y(θi)和I(θi),其中θi=10°、10°、…、180°(这里Δθ取10°，需要看适配灯具，如果是小角度射灯，Δθ可以按照实际需要取值,θmax可以按照I10点来取值，本文针对角度为5°的射灯，故Δθ取1°，θmax取5°)，然后求解平均色度坐标。

(5)

(6)

其中

(7)

(8)

其最终的计算公式为

(9)

由于LED定向照明灯具作为小角度灯具，其中心点颜色基本可以代表灯具的颜色，因此我们按照第一种方式去计算，这样比较简单有效，也方便现场操作和判断。

式(1)中，x、y为CIE 1931-xyz标准色品图值，u、v为CIE 1960 UCS均匀色品图色坐标值，式(2)中u′、v′为CIE 1976 UCS均匀色品图上色坐标值，式(3)中Δu′v′为空间颜色均匀性指数，u0代表在O点的u值，ua代表在角度a点的u值，v0代表在O点的v值，va代表在角度a点的v值Δu′v′越小表示色差越小，体现为空间颜色均匀性越好。

2 空间颜色均匀性的测试方法

2.1 利用分布式光度计

采用LED定向照明灯具(LED照明灯具A)对博物馆展品进行照明，依据测试标准及测试方法，首先采用分布式光度计对LED照明灯具A出光的空间颜色均匀性进行测量。由于LED定向照明灯具A出光角度为5°，为了测试方便，以1°为一个步长进行测试，根据测试值计算了LED灯具出光的空间色差Δu′v′,如表1所示[8]。

表1 照明灯具A光度测试(分布式光度计)
Table 1 Luminosity test for luminaire A (spot goniophotometer)

C0/180°C90°/C270°γ/(°)CIE u′CIE v′CCT/KΔu′v′γ/(°)CIE u′CIE v′CCT/KΔu′v′-50.249 7 0.524 8 299 90.002 5 -50.246 1 0.521 6 3 1130.002 4 -40.251 6 0.526 1 294 80.004 7 -40.248 4 0.523 7 3 0370.000 8 -30.252 5 0.526 4 292 40.005 6 -30.251 4 0.525 6 2 9560.004 3 -20.251 4 0.525 7 295 40.004 4 -20.252 6 0.526 2 2 9240.005 6 -10.249 6 0.524 6 300 60.002 2 -10.250 7 0.525 1 2 9720.003 5 00.247 7 0.523 4 305 60.000 1 00.247 7 0.523 4 3 0560.000 1 10.248 8 0.523 8 302 70.001 2 10.245 0 0.521 8 3 1380.003 2 20.251 2 0.525 3 296 10.004 0 20.245 4 0.522 3 3 1240.002 6 30.252 8 0.526 1 291 80.005 8 30.249 6 0.524 6 3 0020.002 3 40.252 1 0.525 5 293 90.004 8 40.252 2 0.526 1 2 9330.005 2 50.248 6 0.522 7 304 20.001 1 50.252 9 0.526 3 2 9160.006 0

2.2 利用手持式光谱彩色照度计

为了满足现场的需求，根据分布式光度计测量灯具颜色均匀性的原理，用手持式光谱彩色照度计来测试灯具空间角度分布上的相应点来计算灯具的颜色均匀性。同样采用LED定向照明灯具A，以1°为一个步长进行测试。

模仿实验室分布式光度计的测量方法，见图2，在发光面位于离地面3 m高度时，当光束角定义为5°时，其圆弧上的点实际可以看为直线。这样我们可以在一块白色干净的木板上按1°一个步长来布点，1°对应的直线距离L计算如下：

图2 手持式光谱彩色照度计测量空间颜色均匀性原理
Fig.2 The principle of spatial color uniformity measured by a handheld spectral color illuminometer

(10)

将R=3 000 mm代入式(10),计算得L=52.3 mm;这样我们以间距52.3 mm的距离来摆放光谱彩色照度计的探头，测量和记录四个方向的A、B、C、D、E五个点的色坐标，见图3。

设计意图：取校园中学生熟悉的场景为背景，把问题情境与学生的生活紧密联系起来，增加了学生的直接经验。“根的向地性和茎的背地性”用的是真实材料，更直观，使学生印象更深刻。这不仅调动了学生学习积极性，让学生体验到生活中的生物学是无处不在的，也培养了学生运用所学知，解释和说明生活中实际问题的能力。

图3 光谱彩色照度计探头摆放位置示意图
Fig.3 The position of the spectral color illuminameter probe

记录LED照明灯具A的色坐标及相关数据后，依据x、y数据，从而计算出Δu′v′的值如表2所示。

2.3 两种测试方法的比较

依据不同的空间颜色均匀性测试方法，对于LED照明灯具A,测试对比数据如图4和图5所示。

由图4和图5可知，分布式光度计测试数据与手持式光谱彩色照度计测试数据非常接近，从而说明在照明现场可采用手持式光谱彩色照度计评估LED定向照明灯具的空间颜色均匀性。

表2 照明灯具A光度测试(手持式光谱彩色照度计)
Table 2 Luminosity test for luminaire A (hand-held spectral color illuminometer)

C0/180°C90°/270°γ/(°)CIE u′CIE v′CCT/KΔu′v′γ/(°)CIE u′CIE v′CCT/KΔu′v′-5 0.250 9 0.524 8 293 80.002 3 -5 0.250 8 0.522 9 3 1260.002 5 -4 0.252 6 0.525 3 294 60.004 1 -4 0.249 2 0.523 4 3 0120.001 0 -3 0.243 7 0.525 5 300 70.005 1 -3 0.252 7 0.524 7 2 9490.004 2 -2 0.244 8 0.524 2 309 70.003 8 -2 0.253 3 0.526 2 2 9350.005 1 -1 0.246 2 0.522 4 311 00.003 0 -1 0.248 7 0.527 5 2 9690.003 3 0 0.248 6 0.524 2 303 10.000 0 0 0.248 6 0.524 2 3 0310.000 0 1 0.249 9 0.524 7 299 50.001 4 1 0.245 9 0.522 8 3 0320.003 1 2 0.251 5 0.525 5 295 30.003 2 2 0.251 0 0.523 2 2 9940.002 6 3 0.253 3 0.525 9 293 70.005 0 3 0.251 0 0.525 5 2 9540.002 7 4 0.252 4 0.522 8 298 60.004 1 4 0.253 4 0.525 0 2 9440.004 9 5 0.247 8 0.523 1 310 80.001 3 5 0.243 5 0.525 7 2 9980.005 3

图4 空间色差数据Δu′v′,测试比对(C0°/180°)
Fig.4 Spatial chromatic aberration data Δu′v′,test comparison (C0°/180°)

图5 空间色差数据Δu′v′,测试比对(C90°/270°)
Fig.5 Spatial chromatic aberration data Δu′v′,test comparison (C90°/270°)

3 实际现场空间颜色均匀性的处理

已知灯具的空间颜色均匀度的数据后，依据美国“能源之星”标准中Δu′v′需小于0.006要求，我们可以看出在哪些点是符合标准的。对于手持式光谱彩色照度计，如何去判断一个灯具的色差大小，不是随意按任意一个点的色坐标来判断，需要取各个方向上的点来评估。

对于LED灯具A,如果我们希望被照物料的色差小于0.004。从计算结果看出，在-4°～4°的出光范围，即在D1-D2-D3-D4的坐标圆形范围内，Δu′v′值小于0.004，即在图6中γ的角度需要设置在-4°～4°的出光范围内。

这次事件，让我明白了很多。班主任作为班级管理的第一责任人，要敢于承认自己的错误，和学生站在一条线上，用自己真诚的行为打动学生。这种榜样的力量会有更强的感染力，无形中会让学生对你敞开心扉，把班级当成自己的家，从而有利于班级的管理和良好班风的形成。

图6 LED灯具出光角度的调整方法
Fig.6 Adjustment method of light output angle of LED lamps

如图6所示，已知被照物体长度为C，覆盖被照物体的灯光角度γ是-4°～4°，被照物体的中心离灯具的水平距离为D,灯具出光口安装距离离地面为L，那么可以计算出此时灯具的转动角度θ的大小，利用tan(θ+γ/2)=(L+C/2)/H可以得出θ角度。

θ代表灯具在这个投射角度下物体能满足Δu′v′小于0.004，即颜色均匀性达到所想设定的范围。当然，如果灯具在已知的H的高度，投射角度已经设定好，我们可以得到L的距离，同样也可以设定灯具高度。

4 结论

我们讨论了用手持式光谱彩色照度计测量灯具在空间的色坐标，并依据空间颜色测试的基本原理计算出相应的空间颜色的色差，从而通过色差数据判断了LED定向照明灯具的空间光颜色是否在合理范围内，及如何优化安装灯具的投射角度能让灯具出光颜色表现的更加均匀。这解决了在照明现场设计灯光时无法定量判定LED灯具空间光颜色均匀性是否符合要求的难题，同时我们依据LED灯具空间光颜色均匀性测试数据，利用简单的计算调整灯具投光角度、高度或距离,使LED定向照明灯具出光满足照明的需求，从而取得良好的照明效果。

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参考文献

[1] 赵训雄，吴海涛，施恒照，等.上海油画雕塑院美术馆照明调研报告.照明工程学报，2018，29(5)：33.

[2] ENERGY STAR_ Program Requirements for Residential Light FixturesVersion 4.0.

[3] 李晓妮，陈聪，吕杰，等.近场光度测量技术及其应用实例分析.中国照明电器，2018(9)：28.

[4] 固态照明产品的光、电测量方法：IES LM-79—2008.

[5] IESNA光谱辐射测量指南：IES LM-58-94.

[6] 比色法(第三版)：CIE 15-2004.

[7] 固态照明态品的色度指标：ANSIC78.377—2008.

[8] 灯具的光度测试和分布光度学：CIE 121—1996.