1、引言

　　近年來，LED 光源高效、長壽、綠色環(huán)保的特點(diǎn)被人們所認(rèn)識和重視，同時隨著近10年來LED技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，相關(guān)LED二次光學(xué)設(shè)計技術(shù)的日漸成熟，采用半導(dǎo)體光源替換現(xiàn)有城市道路照明光源已經(jīng)成為半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的一大趨勢，日益受到人們的關(guān)注。但要大量推廣LED 路燈，就必須對LED 路燈產(chǎn)品有一個統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定一些強(qiáng)制性的性能指標(biāo)，以保證產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。從目前LED 路燈產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀來看，最主要的就是整燈壽命、整燈光效和光衰曲線這幾個關(guān)鍵指標(biāo)。

　　LED 路燈作為一個系統(tǒng)，影響上述性能的因素較多，如電源驅(qū)動的特性、光學(xué)元件的耐候性、整燈結(jié)構(gòu)的防水防塵性能等都會嚴(yán)重地影響系統(tǒng)的光效和壽命，即光用LED 芯片或模組的光學(xué)特性并不能完整地描述燈具的性能，因此必須進(jìn)行整燈的老化測試以取得符合系統(tǒng)實(shí)際性能的數(shù)據(jù)。

　　作為戶外照明產(chǎn)品的LED 路燈，其可靠性就必須進(jìn)行現(xiàn)場的長程測試，時間跨度往往需要數(shù)千小時，而現(xiàn)場的長程測量的精度由于受到環(huán)境、測試方法等方面因素的干擾，會與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的測試結(jié)果產(chǎn)生較大的差異。

　　圖(1)為檢測部門組織的多家企業(yè)提供的不同LED 路燈在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與在戶外場地測試的光衰結(jié)果對比。

　　圖(1)所示為22 種LED 路燈產(chǎn)品2000 小時的光衰測試數(shù)據(jù)，從圖中可以看出：

　　A、LED 路燈在戶外場地測試得到的光衰值都大于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試的光衰值；

　　B、若以實(shí)驗(yàn)室測試為依據(jù)，則大部分光衰都在5%以下，而若以戶外測試為依據(jù)，則這批路燈的光衰都明顯偏大，不宜批量生產(chǎn)；

　　C、不同路燈產(chǎn)品所對應(yīng)的這一測試差別也不同，范圍為5%-15%。

　　由此就給最終用戶對選用LED 路燈產(chǎn)品造成了困難，即究竟應(yīng)該采用什么方法來檢測，該相信哪組測試數(shù)據(jù)？

　　目前在各級與LED路燈相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范指標(biāo)中，都對LED路燈的光衰做了嚴(yán)格的要求，基本都要求連續(xù)點(diǎn)亮3000 小時后，路燈光衰不高于2%；要達(dá)到如此高的光衰測試要求，對于各類引起測量誤差的關(guān)鍵因素就必須進(jìn)行分析并作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

        2、 影響LED 路燈光效測量精度的主要因素

　　對于LED 路燈的期望壽命測量方法，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)中給出了LED 路燈的期望壽命測量方法，方法規(guī)定在一定的技術(shù)規(guī)范規(guī)定條件測量LED路燈，并在規(guī)定的測溫點(diǎn)監(jiān)測LED 路燈的外殼溫升。每隔100~300 小時記錄一定距離下LED 路燈燈下點(diǎn)的照度，直至測量到6000小時。如到6000 小時仍未達(dá)到LED路燈壽命，則可用燈下點(diǎn)照度下降的規(guī)律外推出LED 路燈的壽命，即期望壽命。在期望壽命測量和外推計算中，以LED 路燈在1000 小時的發(fā)光特性為初始值，外推出的LED 路燈光通量下降到初始值的70%的時間為期望壽命。

　　由此可見，對LED 路燈要進(jìn)行光衰與壽命測試，時間跨度都在3 個月以上。由于測試場地的影響往往需要在路燈安裝現(xiàn)場進(jìn)行測試，如圖（2）所示。

　　由此也就必然會遇到測試準(zhǔn)確度的判定及干擾因素的消除問題，在此我們先分析一下影響LED路燈光效測量精度的主要因素。

　　(1)  電源的穩(wěn)定性

　　在《整體式LED路燈的測量方法》中對于電源電壓要求為：在穩(wěn)定期間，電源電壓應(yīng)穩(wěn)定在額定值的±0.5％的范圍內(nèi)；測量時，電源電壓應(yīng)穩(wěn)定在額定值的±0.2％的范圍內(nèi)，基波頻率偏差不得大于0.1%，諧波失真小于3%；壽命試驗(yàn)的電源電壓應(yīng)穩(wěn)定在±2％以內(nèi)。

　　在LED驅(qū)動方面，通常使用恒流驅(qū)動，電流的波動就直接影響了LED的發(fā)光通量，為了驗(yàn)證實(shí)際產(chǎn)品的性能，考察了2家在LED路燈電源方面進(jìn)行了專門設(shè)計和有著較多使用經(jīng)驗(yàn)的電源生產(chǎn)廠家的LED驅(qū)動器，其電流控制精度分別為±2%和3%。

　　然而這只是標(biāo)明的穩(wěn)態(tài)狀況，在此我們更應(yīng)注意幾個參數(shù)：穩(wěn)定電流隨外加電壓變化的燈下測試點(diǎn)波動、隨運(yùn)行時間的慢性漂移以及隨外界溫度變化的穩(wěn)定性。

　　實(shí)驗(yàn)室對某公司75WLED開關(guān)電源進(jìn)行測試表明，開關(guān)電源輸出電流基本不隨外加電壓的變化而變化，穩(wěn)定精度達(dá)到±0.01%以上，可以忽略其影響。對75W大功率開關(guān)電源的老化測試情況來看，經(jīng)2400小時的老化后，電源輸出電流穩(wěn)定精度達(dá)到±0.02%以上，也可以忽略此因素對開關(guān)電源輸出穩(wěn)流精度的影響。

　　我們知道，即使在在南方城市，對于跨度2000小時的測試，環(huán)境溫差也至少有20oC(下面涉及到溫差影響的討論我們都以20oC來計)，這種溫度的變化會影響LED開關(guān)電源輸出電流的變化。

圖(3)   LED開關(guān)電源輸出電流的溫度特性

　　圖(3)是對一實(shí)際使用的LED路燈電源的溫度特性進(jìn)行檢測的結(jié)果。從圖(3)可以看出，LED開關(guān)電源與環(huán)境溫度變化的關(guān)系為I-1 ·dI·dT=-0.0736%/K，即溫度上升時開關(guān)電源輸出電流以每10度0.7%的速率下降(以環(huán)境溫度25OC為初使溫度)。由于LED輸出光通量與輸入電流基本呈線性關(guān)系，那么當(dāng)溫度變化20OC時，電流的輸出就會下降1.47%，下降的電流會直接導(dǎo)致LED輸出光通量的下降。LED輸出光通量與輸入電流呈線性關(guān)系，在此溫度變化的幅度內(nèi)，燈具的光通量也將下降1.47%。

        (2)   LED光源的穩(wěn)定性

　　LED光源是半導(dǎo)體器件，對溫度十分敏感。測試中必須考慮LED光源光通量受環(huán)境溫度的影響，這是影響整燈性能一個非常重要的方面。通常從半導(dǎo)體器件的溫度特性可以得到光發(fā)射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系：

　　I(T)=I0exp(-T/T1)

　　這里T1為特征溫度，對于采用GaInN/GaN量子阱有源層的藍(lán)光LED器件，其特征溫度T1=1600K。

　　對于藍(lán)色芯片加黃色熒光粉的白光LED器件，由于器件的性能還受熒光粉、填充膠等材料的影響，其溫度特性就會偏離上述理論公式。在一般情況下，白光的光輸出變化隨溫度的變化的關(guān)系大致為Φ-1dΦ/dT = -0.2 %K-1，也即是說光通量的輸出隨溫度的升高以每10度2%的速率下降。然而對于不同的芯片以及不同的封裝工藝與材料，上述參數(shù)也會發(fā)生變化。

　　實(shí)驗(yàn)中對國內(nèi)外2種不同的LED器件進(jìn)行了輸出光通量與結(jié)溫關(guān)系的測試，結(jié)果如圖（4）所示。

圖(4)    不同白光LED件的光輸出與節(jié)溫的關(guān)系

　　對于樣品A，其白光的光輸出變化隨溫度的變化的關(guān)系為Φ-1dΦ/dT = -0.22% K-1，對于樣品B，上式變?yōu)?amp;Phi;-1dΦ/dT = -0.30 %K-1，也即溫度每升高10度光通量下降3%。因此在測量期間如溫差超過20℃，會使LED燈具的光通量測試產(chǎn)生5%左右量級的誤差。

　　由此可見在進(jìn)行耗時較長的光衰測試時，必須將溫度的影響考慮在內(nèi)，并根據(jù)實(shí)測的溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正。反之，若是在夏天開始測試，而在冬天結(jié)束，則衰減會大大減小，甚至?xí)霈F(xiàn)光輸出的增加。

　　(3)   測試設(shè)備的影響

　　目前所用路面測試設(shè)備，通常都為照度計或亮度計，這些儀器的探頭是決定光參數(shù)測試準(zhǔn)確度的核心，一般的光敏元件（如硅光電池、光敏電阻等）都有其固有的相對光譜靈敏度曲線，而理想的光譜靈敏度曲線應(yīng)該是與CIE 1931人眼的光視光效函數(shù)即V(λ)曲線完全吻合，只有如此才可能實(shí)現(xiàn)精確的光度學(xué)測量。但一般光敏器件光譜靈敏度曲線與CIE 1931 V(λ)曲線相差很大，因而需要加上一系列的濾色片來進(jìn)行校準(zhǔn)，由此也就產(chǎn)生了光譜響應(yīng)誤差f1。

　　根據(jù)CIE 69-1987和中國JJG245-2005照度計量檢定規(guī)程，不同等級的光度探頭/光度計的分級技術(shù)指標(biāo)要求見表1。

　　對于一般企業(yè)的測試設(shè)備，大都為一級精度，其V(λ)失匹配誤差f1達(dá)6%，因此各自光色不同的LED路燈也就必然會由此失配造成一定的測量誤差。由于f1描述的是探頭的最大誤差，并非在所有波長范圍內(nèi)都是這一數(shù)值，最后光度測量的總誤差一般應(yīng)小于此值。

　　設(shè)在某一波長，探頭的V(λ)失匹配誤差為f1（λ），造成的光度測量的總誤差為：

　　λ 為被測光源在波長λ處的光強(qiáng)度，由于白光LED的發(fā)射譜主要集中于黃綠色和藍(lán)色兩個主要波段，其中黃色光對光通量的影響最大，因此探頭在這一波長范圍的失配誤差就對LED光度測量的精度尤為重要。

　　另外，光電探頭的溫度系數(shù)在此的影響是最不容忽略的，根據(jù)中國JJG245-2005照度計量檢定規(guī)程，即使是采用標(biāo)準(zhǔn)級的探頭，其溫度系數(shù)為0.2%，這也就意味著在時間跨度為2000小時的測試期間，在環(huán)境溫度的變化為20℃的條件下，只此一項(xiàng)也會使LED燈具的光通量測試產(chǎn)生4%的誤差。

　　為系統(tǒng)研究照度計的溫度特性，我們分別對某公司生產(chǎn)一級品照度計的光探頭和整體照度計進(jìn)行了溫度特性測試實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果分別為下圖(5)中E1和E2兩條曲線。

　　以20oC為起始溫度，圖(5)中E1曲線顯示光度探測頭的溫度特性，它包括V(λ)修正濾波器、余弦較正玻璃、表頭電阻和硅光電池，這部分隨溫度的上升而輸出信號的下降速率為0.062%K-1。E2曲線顯示了探測頭再加上照度計后面A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路部分在內(nèi)的整體照度計的溫度特性[[5]，整體照度計隨溫度使照度下降速率為0.374%K-1，可以看出后面A/D轉(zhuǎn)換和顯示部分的受溫度變化給照度值帶來影響更大。以本照度計進(jìn)行測試，20oC的溫差時，帶來的測量誤差為7.48%。

　    (4)   測試方法的影響

　　在實(shí)地測量，就必然會受到各類雜散光的影響，主要的雜散光包括：

　　1. 道路上車輛的光照；

　　2. 相鄰路燈的光輻射；

　　3. 路邊其它光源的干擾；

　　4. 路燈光源在其它物體上反射光的干擾；

　　上述雜散光其實(shí)質(zhì)都是非穩(wěn)定的，如相鄰路燈的光輻射會隨路燈布置位置的不同，路燈光型分布的不同而變化；當(dāng)路邊的綠化植物、建筑物、廣告牌等物體遮擋或反射光輻射時，這種光的干擾也極不穩(wěn)定。

　　為了消除這類不穩(wěn)定雜散光的影響，在實(shí)地測試中可以使用一個輔助的隔離筒，如圖6所示。

圖(6)    用于消除雜散光影響的隔離筒簡圖

　　隔離筒內(nèi)部涂吸收光涂層，可以有效地隔離外界的干擾光，從而保證有效地接受正上方的被測路燈的光輻射。圖中d為照度計測光表面直徑，H為路燈的高度，D為隔離筒光闌孔徑，從隔離外界干擾來看，Ｄ的尺寸應(yīng)當(dāng)盡量接近ｄ的大小，由于LED路燈目前大都是有多顆LED模塊陣列組成，其等效發(fā)光面的尺度不容忽視，隔離筒的構(gòu)造就需保證能有效地接受路燈發(fā)光面上所有LED模塊的光線，即：

　　(5)   環(huán)境污染的影響

　　室外LED燈具必然會受到落塵堆積、膠質(zhì)懸浮物等雜質(zhì)的污染，這一污染在燈具的透光面出現(xiàn)時將會直接導(dǎo)致燈具光效的下降，而且這一影響的程度也會隨路燈安裝的地點(diǎn)、在路面使用的時間以及路燈表面的處理情況不同而變化。

　　為了測試路燈表面污染對光度測試的影響，我們對正常道路上的LED路燈進(jìn)行了定點(diǎn)照度隨時間變化的測試，圖7(a) 顯示了在同一條道路上的10 盞路燈在表面不清洗的情況下的測試結(jié)果，而在圖7(b) 中則顯示了最后一次測量進(jìn)行了燈具出光面清洗后的結(jié)果。兩者有著明顯的差距，從表2可見，在4500小時的路面運(yùn)行后，路燈因表面污染引起的照度測試誤差平均達(dá)-7%。

　　上述結(jié)果是對出光面為平面結(jié)構(gòu)的LED路燈而作的測試所得，對于一些出光面兼做二次光學(xué)透鏡表面從而具有凹凸結(jié)構(gòu)的LED路燈，這一影響會更嚴(yán)重并會進(jìn)一步影響光型分布。特別是用在交通量較大的公路和隧道照明場合，燈具表面往往會被油污嚴(yán)重污染，采用目前傳統(tǒng)對隧道燈具的清洗方法就很難對這些具有凹凸結(jié)構(gòu)的LED路燈出光面進(jìn)行有效的清洗。

    3 總結(jié)

　　由上述實(shí)驗(yàn)分析可知，對LED路燈整燈光參數(shù)的實(shí)地長程測量，將受到很多外在因素的影響，其中溫度的影響最不容忽視。當(dāng)溫度升高1oC時，由驅(qū)動電源、LED光源、照度計引入的測量誤差分別為-0.0735%、-0.25%、-0.374%，當(dāng)溫度升高20oC時，上述各項(xiàng)誤差引起的總測量誤差將達(dá)到-13.95%。而路燈因表面污染引起的照度測試誤差也相當(dāng)嚴(yán)重，在城市主干道的應(yīng)用環(huán)境下，4500小時的路面運(yùn)行后表面污染引起的測試照度下降值平均也達(dá)-7%左右。再看圖(1)，不同廠家室內(nèi)和室外測試的數(shù)據(jù)相差5%-15%也就不難解釋了。當(dāng)然我們數(shù)據(jù)只是研究某一種電源、光源和照度計，不同的電源，不同的LED光源，不同的照度計受溫度的影響不同。

　　從上述研究結(jié)論可知，要準(zhǔn)確地在時間跨度較大的長程測量中獲取LED路燈整燈的光電參數(shù)，就必須盡可能地排除各類非LED光源自身造成的影響因素，尤其是在戶外實(shí)地測試中，各類外界的影響也更嚴(yán)重。通過清潔燈具、規(guī)范測試方法可以減少由于或消除因環(huán)境污染和測試方法帶來的誤差。但LED路燈系統(tǒng)中的開關(guān)電源、LED光源和測量用照度計受溫度影響較大。如要測試光衰小于3%，則測量精度最基本也應(yīng)優(yōu)于1%，如此就需選用標(biāo)準(zhǔn)級的測試儀器；溫度的影響必須進(jìn)行控制（測試時間跨度內(nèi)環(huán)境溫度的變化&Delta;T<3℃）或給予必要補(bǔ)償；光的采集須避開各類雜散光的干擾；同時必須考慮燈具表面污染對測試的嚴(yán)重影響。