室內(nèi)健康照明產(chǎn)品參數(shù)的實驗室測試結(jié)果調(diào)查比對研究

鄭懷文，趙偉強(qiáng)，李 燕，楊 華

(1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 中國科學(xué)院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心 中國科學(xué)院大學(xué) 北京第三代半導(dǎo)體材料與應(yīng)用工程技術(shù)研發(fā)中心 半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國家重點實驗室，北京 100083;2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

引言

近年來，面向健康照明的LED技術(shù)、光生物機(jī)理及應(yīng)用技術(shù)受到了廣泛的重視[1-4]。目前的多數(shù)光生物健康機(jī)理的研究主要基于照明光源的色度學(xué)參數(shù)進(jìn)行[5-7]，傳統(tǒng)的白光LED主要是通過將LED芯片發(fā)出的藍(lán)光與來自黃色熒光粉的黃光混合產(chǎn)生的，雖然能夠滿足色度學(xué)指標(biāo)的實驗要求，但是與自然光源在光譜特性上存在很大差異。人們進(jìn)而關(guān)注到類似自然光光譜的光源可能具有的健康照明屬性并進(jìn)行了大量的工作[8-10]。在此過程中，判斷類似黑體輻射、重組日光等光源光譜的一致性、重復(fù)性等問題也成為了人們關(guān)注的對象[11-14]。

為了考察現(xiàn)有的照明產(chǎn)品檢測能力對于健康照明相關(guān)產(chǎn)品主要指標(biāo)的檢測能力，支撐健康照明有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定工作，我們制備了不同色溫的全光譜LED室內(nèi)用球泡燈和筒燈燈具，分別在3家有資質(zhì)的實驗室(1家內(nèi)資第三方實驗室A，1家內(nèi)資企業(yè)實驗室B，1家外資第三方實驗室C)進(jìn)行了相關(guān)色溫和光通量的檢測，并針對檢測結(jié)果進(jìn)行了分析和比對。本研究對于促進(jìn)提升國內(nèi)健康照明產(chǎn)業(yè)檢測機(jī)構(gòu)的測量能力，指導(dǎo)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)更有益的光健康照明產(chǎn)品，提高我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的國際競爭力具有一定價值。

1 實驗樣品制備和測試方法

1.1 實驗樣品的制備

室內(nèi)照明燈具數(shù)量較大的包括球泡燈、管燈、筒燈、射燈、平板燈等，我們先期選取了市場典型的球泡燈和筒燈樣品，對其進(jìn)行了主要參數(shù)包括電壓、電流、功率、光通量、光效、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、色坐標(biāo)等參數(shù)的測試并進(jìn)行了比較。結(jié)果表明實驗室間所測試數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的可比性，考慮到與健康照明關(guān)系密切的主要是影響照度的總光通量和影響生物效應(yīng)的光色指標(biāo)參數(shù)，而基于光譜的評價指標(biāo)和評價方法尚未得到廣泛應(yīng)用，因此確定選用總光通量和相關(guān)色溫作為測試的主要參數(shù)。

根據(jù)以上對室內(nèi)照明燈具的調(diào)研和初步檢測，選定LED球泡燈和LED筒燈為燈具形式?？紤]到色溫覆蓋性和健康照明光譜研究工作的進(jìn)展，我們采用類太陽光LED作為兩種燈具的光源。設(shè)計LED球泡燈的功率為7 W，LED筒燈的功率為22 W，燈具易達(dá)熱平衡，選用高品質(zhì)恒流輸出，電流值設(shè)置為LED模塊最大輸入電流的50%左右，LED光源光度衰減慢，利于LED室內(nèi)照明燈的輸出穩(wěn)定性。常規(guī)的LED室內(nèi)燈具的色溫一般為2 700～6 500 K附近，我們選用了3種不同色溫區(qū)間 2 700 K、4 000 K以及6 500 K附近，有助于考察不同色溫區(qū)間LED燈具在實驗室測試的光色參數(shù)測試結(jié)果的差異。制備并選取一批樣品后，進(jìn)行老化預(yù)處理，篩選其中性能穩(wěn)定的樣品作為比對樣品。如圖1所示，對選取的樣品進(jìn)行8 h連續(xù)測試，其在30 min后光譜功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在2周內(nèi)進(jìn)行多次測試，測試數(shù)據(jù)基本一致。

圖1 典型樣品的光譜穩(wěn)定性Fig.1 Spectrum stability of samples

1.2 測試方法

測試方法參考GB/T 24824—2009《普通照明用LED模塊測試方法》，自鎮(zhèn)流LED模塊在額定電壓下測定，電壓穩(wěn)定在額定值+0.5%范圍內(nèi)；在光電參數(shù)穩(wěn)定后測量，即15 min內(nèi)，光通量變化小于0.5%后采集數(shù)據(jù)；總光通量采用積分球法或者光強(qiáng)積分法測量，其中積分球測量示意圖如圖2所示，其中圖(a)為在積分球中央中心放置光源，圖(b)和圖(c)分別在與探測器相對位置不同的積分球側(cè)壁放置光源。

圖2 積分球測量示意圖Fig.2 Integrating sphere measurement diagram

2 測試過程和測試結(jié)果

樣品完成制備、篩選和預(yù)測試之后，于2020年10月通過快遞方式委托實驗室B進(jìn)行檢測并出具報告，2020年11月通過快遞方式委托實驗室A進(jìn)行檢測并出具報告，2021年1月通過快遞方式委托實驗室C進(jìn)行檢測并出具報告，在全部檢測完成后對3家實驗室的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。之后為進(jìn)一步進(jìn)行研究，于2021年4月通過快遞方式委托中國計量科學(xué)研究院進(jìn)行檢測并出具校準(zhǔn)證書，作為測量標(biāo)準(zhǔn)值對3家實驗室的測試結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)查分析。相關(guān)測試結(jié)果如表1～表4所示。

表1 球泡燈的光通量測試結(jié)果Table 1 Luminous flux test results of the bulb lamps

表2 球泡燈的相關(guān)色溫測試結(jié)果Table 2 The relevant color temperature test results of the bulb lamps

表3 筒燈的光通量測試結(jié)果Table 3 Luminous flux test results of the downlights

表4 筒燈的相關(guān)色溫測試結(jié)果Table 4 The relevant color temperature test results of the downlights

以上對球泡燈和筒燈的測試，其依據(jù)的主要測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 24824、GB/T 9468和GB/T 24824和IES TS 79-08的測試要求。其中實驗室A的光通量相對不確定度(k=2)球泡燈2.1%、筒燈1.4%，相關(guān)色溫不確定度(k=2)球泡燈18 K、筒燈18 K；實驗室B的光通量相對不確定度球泡燈1.7%、筒燈1.8%，相關(guān)色溫不確定度球泡燈17 K、筒燈17 K；實驗室C的光通量相對不確定度球泡燈1.4%、筒燈1.4%，相關(guān)色溫不確定度球泡燈14K、筒燈14K；計量院測試數(shù)據(jù)不確定度在表1～表4中標(biāo)出。

3 分析和討論

參考值的確定。根據(jù)CNAS-GL02《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》“4.3 指定值及其不確定度的確定”中確定指定值的常用方法要求，可以采用“有證參考值 —— 根據(jù)定義的檢測或測量方法確定(針對定量檢測)”作為指定值，也可以采用“由參加者確定的公議值——使用 GB/T 28043 和 IUPAC 國際協(xié)議等給出的統(tǒng)計方法，并考慮離群值的影響。例如，以參加者結(jié)果的穩(wěn)健平均值、中位值(也稱為中位數(shù))等作為指定值。附錄 A 給出了由參加者結(jié)果確定指定值的常用穩(wěn)健統(tǒng)計方法”。

我們采用參加者的公議值和國家計量機(jī)構(gòu)的有證參考值方法，分別進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

3.1 采用參與實驗室的公議值作為指定值

依據(jù)CNAS-GL02《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》附錄A“檢測能力驗證計劃常用文件統(tǒng)計方法”的總則，“通常采用經(jīng)典方法，用格拉布斯(Grubbs)準(zhǔn)則等統(tǒng)計方法剔除離群值后計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以平均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為指定值和能力評定標(biāo)準(zhǔn)差”，考慮到參與調(diào)查實驗室的數(shù)量為3家，確定使用3家CNAS實驗室的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為樣品的指定值和指定值的標(biāo)準(zhǔn)差。各參數(shù)的指定值及標(biāo)準(zhǔn)差見表5～表8。

表5 球泡燈的光通量指定值及標(biāo)準(zhǔn)差Table 5 Specified values and standard deviation of luminous flux of bulb lamps

表6 球泡燈的色溫指定值及標(biāo)準(zhǔn)差Table 6 Specified values of color temperature and standard deviation of bulb lamps

表7 筒燈的光通量指定值及標(biāo)準(zhǔn)差Table 7 Specified values of luminous flux and standard deviation of downlights

表8 筒燈的色溫指定值及標(biāo)準(zhǔn)差Table 8 Specified value of color temperature and standard deviation of downlights

依據(jù)CNAS-GL02《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》的要求，采用En值作為比對結(jié)果的評價方法。對于計算得到的En值，若其絕對值小于等于1，則結(jié)果滿意；若其絕對值大于1，則結(jié)果不滿意。各參數(shù)的En值計算列表見表9～表12。

表9 球泡燈光通量En值列表Table 9 List of flux En values for bulb lamps

表10 球泡燈相關(guān)色溫En值列表Table 10 List of relevant color temperature En values for bulb lamps

表11 筒燈光通量En值列表Table 11 List of luminous flux En values for downlights

表12 筒燈相關(guān)色溫En值列表Table 12 List of color temperature En values for downlights

當(dāng)采用參與實驗的公議值作為指定值時，球泡燈共3個樣品，2個參數(shù)，選取有CNAS資質(zhì)國內(nèi)外參與單位3家。每個樣品對應(yīng)2個En值，3個樣品對應(yīng)6個En值，3家參與單位對應(yīng)18個En值，全部符合預(yù)期。筒燈共3個樣品，2個參數(shù)，選取有CNAS資質(zhì)國內(nèi)外參與單位3家。每個樣品對應(yīng)2個En值，3個樣品對應(yīng)6個En值，3家參與單位對應(yīng)18個En值，全部符合預(yù)期。

但是，由于參與比對調(diào)查的實驗室數(shù)量較少，其統(tǒng)計結(jié)果可能存在較大偏差。因此我們采用國家計量標(biāo)準(zhǔn)裝置對比對樣品進(jìn)行校準(zhǔn)測試，并以校準(zhǔn)值作為指定值進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

3.2 采用有證參考值作為指定值

根據(jù)CNAS-GL02《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》“4.3 指定值及其不確定度的確定”中確定指定值的常用方法要求，可以采用“有證參考值 —— 根據(jù)定義的檢測或測量方法確定(針對定量檢測)”作為指定值。參數(shù)的En值計算列表見表13～表16。

表13 球泡燈光通量En值列表Table 13 List of light flux En values for bulb lamps

表14 球泡燈相關(guān)色溫En值列表Table 14 List of related color temperature En value for bulb lamps

表15 筒燈光通量En值列表Table 15 List of luminous flux En values for downlights

表16 筒燈相關(guān)色溫En值列表Table 16 List of color temperature En values for downlights

由以上各表格數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)使用有證參考值作為指定值時，各個色溫樣品的光通量參數(shù)的En值的絕對值小于1，是滿意結(jié)果。低色溫樣品的色溫值測試結(jié)果En也是在滿意區(qū)間。但是高色溫區(qū)域樣品的色溫值與標(biāo)準(zhǔn)值比較時存在明顯差異，其中實驗室B和實驗室C的相關(guān)色溫值測試結(jié)果En值的絕對值大于1，落在離群區(qū)間。

我們認(rèn)為，該差異可能來源于校準(zhǔn)儀器量值、校準(zhǔn)方法或規(guī)范，以及所使用的測量儀器系統(tǒng)偏差等。一般來說，高色溫的LED樣品，其藍(lán)光成分(峰值波長在450 nm附近)占總輻射功率比重高，測量時光譜輻射計的藍(lán)色部分的響應(yīng)定標(biāo)系數(shù)將顯著影響測量結(jié)果。當(dāng)在積分球系統(tǒng)中使用光譜總輻射通量燈(通常是鹵素?zé)?對光譜輻射計定標(biāo)時，由于鹵素?zé)舻墓庾V特點，其藍(lán)光成分占比小，考慮到光譜輻射計在藍(lán)光區(qū)域具有較低的響應(yīng)度，另外藍(lán)色區(qū)域外的光可能會散射到藍(lán)色區(qū)域(即到內(nèi)部雜散光影響)。此時光譜輻射計，特別是CCD型，藍(lán)色區(qū)域的光譜響應(yīng)度定標(biāo)，與其他區(qū)域相比將具有較大的不確定度。這使得高色溫區(qū)域的LED相關(guān)色溫值的測量和不確定度評定變得困難，容易產(chǎn)生偏差。未來可以通過采用更好的標(biāo)準(zhǔn)具以及測試技術(shù)和設(shè)備的改善進(jìn)一步提升測量準(zhǔn)確性和一致性。

4 結(jié)論

本文考察了現(xiàn)有的照明產(chǎn)品檢測能力對于健康照明相關(guān)產(chǎn)品部分主要指標(biāo)的檢測能力，支撐了健康照明有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定工作。我們制備了不同色溫的全光譜LED室內(nèi)用球泡燈和筒燈燈具，分別調(diào)查了3家有資質(zhì)的實驗室(1家內(nèi)資第三方實驗室A，1家內(nèi)資企業(yè)實驗室B，1家外資第三方實驗室C)，進(jìn)行了相關(guān)色溫和光通量的檢測。并針對檢測的結(jié)果進(jìn)行了分析和比對,在采用公議值作為指定值的時候光通量參數(shù)和色溫參數(shù)都可以滿意，這可能與多家檢測機(jī)構(gòu)的設(shè)備校準(zhǔn)溯源與測試儀器趨同有關(guān)。在采用上級計量機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)證書值作為指定值的時候，其光通量和低色溫的色溫檢測值均滿意，但是高色溫的色溫檢測值存在一定的偏離，未來可以通過采用更好的標(biāo)準(zhǔn)具以及測試方法、技術(shù)和設(shè)備的改善進(jìn)一步提升健康照明產(chǎn)品指標(biāo)的測量準(zhǔn)確性和一致性。本研究對于促進(jìn)提升國內(nèi)健康照明產(chǎn)業(yè)檢測機(jī)構(gòu)的測量能力，指導(dǎo)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)更有益的光健康照明產(chǎn)品，提高我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的國際競爭力具有一定價值。