中国计量科学研究院

    赵伟强  刘慧  闫劲云  苏颖  林延东

　　计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。目前光度计量体系是依据白炽灯标准器具和相关技术文件建立的，已运行多年。然而LED的出现对该光度计量体系提出了新的挑战。LED具有高效、节能、维护简便、绿色环保、安全可控、色彩丰富、使用寿命长等显著优势。经过多年的发展，已经是通用照明领域的主要光源。LED与传统白炽灯光源在光学特性上的显著差异，白炽灯的测量能力不能代表LED的测量能力，使得现有计量体系不能直接满足LED量值的计量和检测的需求，测量结果可能存在较大的系统偏差，对当前的光度计量体系提出了新的计量要求。因此，急需建立LED光度计量体系，而研制相应的标准灯是其中的关键工作。

　　标准灯是光度量值传递的最主要标准量具，在光学计量中具有重要地位。发光强度（CCPR K3）和总光通量（CCPR K4）属于国际计量委员会所属光度和辐射度咨询委员会（CCPR）确定的光学计量领域的6个关键比对中的项目，以往的国际比对（除1997年的CCPR K3.a外）均采用标准灯作为传递标准器。随着LED替代白炽灯成为主流照明光源，对LED标准灯的需求越来越迫切。

　　当前，制订LED标准照明体和研制LED标准灯，简化LED测量过程，成为光辐射计量的重要发展方向。2014年和2015年CCPR相继成立了“光度比对用替代标准的初步研究工作组”（WG-KC TG4）和“白光LED光源在光度测量中应用讨论会”(WG-SP TG12)。为此，CCPR和国际照明委员（Commission Internationale de l Eclairage，CIE）均将照明用LED测量技术列入战略发展规划，并开展了大量的工作，取得了显著的效果。

　　CCPR在2013和2017年出版的发展战略文件均将括LED产品在内的新兴领域对SI的溯源需求列入规划，在规划的多处地方强调实现固态照明产品向SI单位准确溯源的重要性和迫切性，需要研发、考察、应用基于LED的原级标准灯替代白炽标准灯，并进行LED最相关的光学测量方法的开发研究。CCPR的2021年发展战略总结中明确提及LED需要新的测量方法和标准器具，且规划使用LED标准灯的面对将来关键比对的研究性比对。

　　CIE是国际照明工程领域的权威机构,致力于照明相关技术和标准的制订。2016年CIE颁布了十大战略规划，其中用于光度、色度、辐射度量的新型校准光源和照明体被列为CIE的十大战略规划之一。2018年CIE出版的“色度测量方法”中建议了10种LED标准照明体。与此同时，用于光度计校准的参考谱技术委员会（TC2-90）分析了用上述10种LED标准照明体校准光度计的可能性，最终选定将其中的LED-B3的光谱进行插值，从而将波段扩展至360nm～830nm得到用于光度测量的新的标准照明体L41。研究表明L41（相关色温4103K）替代A光源校准测量LED的光度计可使测量结果的不确定度平均降低2/3。标准照明体是光辐射测量的基础标准，L41光谱的确定有力地促进构建基于LED的光度计量体系。

　　为响应CCPR和CIE的战略规划，欧洲计量组织开展了未来基于LED的光度学项目研究，尝试采用LED作为参比光源进行SI国际单位制单位坎德拉的量值复现，研究比较了107个光度计测量LED光源时用LED标准灯校准和白炽标准灯校准的差别。许多国家计量院，如德国(PTB)、美国(NIST)、芬兰(MIKES)、韩国(KRISS)、俄罗斯（VNIIOFI）、日本(NMIJ)、荷兰(VSL)、墨西哥(CENAM)、法国(LNE)、瑞士(METAS)和中国(NIM)，在LED测量领域十分活跃，研制了多种形式的LED标准灯。其中NIM和PTB分别研制了用于CCPR WG-KC TG4比对的灯丝标准灯和LIS-A标准灯。PTB的LIS-A标准灯由LED阵列构成，采用半导体制冷加风扇的方式对LED芯片控温。驱动方式为DC65mA，电源约75V，标称发光强度为245cd，同时兼作2π总光通量标准灯。NIST研制的LED标准灯采用大功率COB封装的LED，将额定功率50W降额至3W使用，采用半导体制冷控温，进行了为期3年的包含置架效应的长期稳定性考核，稳定性约为0.1%。NMIJ研制的LED总光谱辐射通量标准灯，其特点是采用加热的方式进行控温，通过LED芯片和荧光粉的改进，提高了光谱红端和蓝端的相对能量密集度，光谱覆盖范围为380nm～780nm，总辐射通量约1300mW，总光通量约200lm。

　　2014年中国计量科学研究院（NIM）首次提出基于LED灯丝研制LED标准灯的技术方案，采用低电流、高电压的LED灯丝作为发光体，降低了单颗LED的功率和发热，有效解决了LED标准灯的散热问题，无需外加控温装置。2015年在北京召开的CCPR会议上，NIM报告并展示了第1代LED灯丝标准灯，得到了与会专家的肯定。项目组历经5年的不懈努力，按照CCPR WG-KC TG4的要求经过6次改型，2020年最终定型，进行了长达210天的长期稳定性试验。经测试两种标准灯的指标均达到CCPR WG-KC TG4对LED标准灯的具体要求，LED灯丝标准灯的主要参数见表1。

表1  NIMLED灯丝灯主要指标

　　LED灯丝标准灯较其他国家计量院研制的标准灯的显著特点是不需要外加控温装置，外形与白炽标准灯一致，灯头为E27，与现有测量装置具有最好的兼容性，可直接替代白炽灯在现有光学导轨上或积分球中使用，如图1。

图1  LED发光强度标准灯和LED总光通量标准灯的示意图

　　基于LED灯丝的LED总光通量标准灯的空间光强分布接近球形，如图2所示，优于白炽标准灯，而其他LED总光通量灯空间光分布为2π方式或伪4π（死角过大），不适宜作为总光通量标准灯使用。LED灯丝标准灯将发光体封装在玻壳内与外界环境隔绝，长期稳定性优于其他将发光体（芯片）暴露在空气中的LED灯。为了考察LED灯丝标准灯的稳定性，选择一组LED灯丝标准灯，每天点燃1h,每21天测一次d，共测量了20个周期，即210天，测量结果见图3。由图可见量值的起伏仅为0.1%。CCPR WG-KC TG4工作组近期取得了明显的进展，2021年1月会议讨论决定启动以LED作为传递标准的研究性比对，NIM成为总光通量比对的主导实验室，传递标准采用NIM的LED总光通量标准灯；德国物理技术研究院（PTB）为发光强度比对的主导实验室，传递标准器采用PTB研制的LIS-A和NIM研制的LED发光强度标准灯，参比实验室可选择一种或两种灯。

图2  某LED总光通量标准灯的光强分布图

图3  某组4只LED总光通量标准灯寿命考核数据

　　CCPR和CIE正在致力于建立基于LED的光度量值传递体系，用于色度测量和光度测量的标准照明体的颁布，规范了LED类测量仪器的校准方法。NIM亦在贡献力量，积极研究针对LED标准灯的标准方法及参与制定相应的技术文件。可以说，LED光度系统将逐步建立，在未来很长的一段时间内，白炽标准照明体CIEA和LED标准照明体L41将同时存在，如同在色度测量时存在多种照明体，使用者根据具体的应用场景进行选择。也就是，传统基于白炽灯的光度计量体系和基于LED的光度计量体系并行运行相当长的时间，供人们择优使用。这给LED相关行业机构企业等，如计量机构、质检机构、设计单位、厂家企业和使用者等提供了LED光度量值的可靠溯源途径，保证各机构之间测量结果相互可比。

　　由于新的标准照明体L41的引入，还有些技术问题需要解决。应研究L41引起的光度计量标准的变化，如评价光度计与人眼光谱光视效能函数V（λ）匹配度的参数f1的分级标准；评价光度计红外和紫外响应误差的指数将不再需要；同一个光度计用不同的标准照明体评价时等级不同；因LED标准灯的光谱不可能与L41完全一致，需引入新的指数评价LED标准灯与L41的光谱分布的偏差等等。

　　此外，NIM用于CCPR WG-KC TG4比对的LED标准灯的量值分别为260cd和1000lm，不能完全覆盖低量值和高量值的量传需要，还需要丰富和完善标准灯的品种和种类形成系列，进一步研究从基准到具体应用的量值传递方法，制订相关标准，规范测量方法，满足LED在非视觉照明领域的计量需求。