赵志嵩 王少波 甘红胜

本文对LED蓝光危害测试中的关键数据——蓝光加权辐亮度在测量过程中产生的不确定度分量进行了分析研究，并且参考国家计量技术规范JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》给出了评定示例。

关键词 蓝光危害；不确定度；蓝光加权辐亮度

Evaluation of Uncertainty in Measurement of Blue Light Weighted Radiance of LED

ZHAO Zhi-Song1WANG Shao-Bo1GAN Hong-Sheng1

Abstract This issue analyzed the factors of uncertainty of the measurement for blue light weighted radiance, which is the key data in LED blue light hazard test. An example of the evaluation of uncertainty is given in this issue according to Chinese national calibration criteria JJF 1059.1-2012 “Evaluation and Expression of Uncertainty in Measurement”.

Keywords Blue light harzard; uncertainty; blue light weighted radiance

2006年，国际电工委员会发布了IEC 62471:2006《灯和灯系统的光生物安全性》，其中提到了人造光源中可能存在的蓝光危害以及相关的检测方法和评价等级[1]。当时，LED照明尚处于萌芽阶段，绝大多数消费者使用的是荧光灯、白炽灯等传统光源。由于这些光源所引起的蓝光危害相对较低，蓝光危害在很长一段时间内并未引起重视。近年来，LED产业飞速发展，LED光源已经成为市场主流产品，业界对于LED引起蓝光危害的讨论和关注日益增加。

2015年底，我国发布了新版灯具标准GB 7000.1-2015《灯具 第1部分：一般要求与试验》，并于2017年1月1日正式实施。该标准对灯具的蓝光危害作出规定[2]，蓝光危害测试从此成为国家强制性标准以及灯具CCC认证中的重要检测项目。

在蓝光危害测试中，危害等级是根据蓝光加权辐亮度进行评价的，而蓝光加权辐亮度的值同时取决于光源的光谱能量分布和视场内的平均亮度，涉及的参量较为复杂。此外，测试人员的经验和能力对于该项测试的结果存在较大影响。因此，为了更加准确地评价LED照明产品的蓝光危害，有必要对蓝光加权辐亮度的测量进行不确定度评定。

1  蓝光加权辐亮度不确定度分量分析

1.1 蓝光加权辐亮度计算公式

在IEC 62471:2006中，蓝光加权辐亮度的计算公式如下：

其中，Lλ是某一特定视场内被测光源在某一波长λ下的平均亮度，B(λ)是蓝光危害加权函数，Δλ是测试波长间隔。

由于测试系统中的视网膜辐亮度计无法直接测出Lλ，只能测出光源的整体平均亮度L，因此需要测出光源的相对光谱能量分布P(λ)，将L与P(λ)相乘即可得到Lλ。原计算公式改写为如下形式：

在该公式中，B(λ)与Δλ是常数。B(λ)在IEC 62471:2006中以表格的形式给出，Δλ则取决于实际测试设备中设定的波长测试间隔或插值间隔。因此，L和P(λ)的不确定度将决定蓝光加权辐亮度LB的不确定度。下面，本文将分别讨论对L和P(λ)进行测试时可能产生的不确定度分量。

1.2 P(λ)的测量不确定度分量

IEC 62471:2006的附录C中给出了一些不确定度因子，主要分为以下几类：测试仪器本身的不确定度、定标产生的不确定度、人工操作带来的不确定度、供电电源引起的不确定度以及环境所导致的不确定度。

由于P(λ)是一个相对函数，仪器所接收到的信号大小并不会影响各个波长下P(λ)的值，因此只要LED光源在最大亮度方向附近区域内的光谱分布不变，人工装夹操作引起的位置和角度误差对于P(λ)不确定度的贡献即可忽略不计。对于未使用二次透镜的LED光源，可以认为其在一定空间区域内的光谱分布基本不变。另外，由于普通照明用LED光源的输入功率在额定功率附近的小区间内波动时几乎不改变其光谱分布，供电电源对于P(λ)不确定度的贡献亦可忽略不计。同样，环境的变化（主要是环境温度）只会略微改变被测LED光源的功率，因此环境对于P(λ)不确定度的贡献也可以忽略不计。

综上所述，P(λ)的不确定度主要取决于测试仪器本身的不确定度和定标产生的不确定度。

1.3 L的测量不确定度分量

由于平均亮度L是一个绝对量，上文提到的设备、定标、环境、供电、人工操作等因素均会对测量结果产生影响。L的测量不确定度分量至少包括以下几部分：

(1) 亮度计本身的测量不确定度

亮度计本身的测量不确定度主要包括亮度值的不确定度、视场角的不确定度和线性误差。根据IEC/TR 62778:2014中的测试要求，蓝光加权辐亮度测试一般在0.011 rad视场角下进行[3]。如果被测光源尺寸较大且发光较均匀，能够完全充满视场，那么视场角的不确定度对测试结果的影响一般可以忽略不计。若被测光源尺寸较小（如型号为2835的LED封装芯片），不能完全充满视场，那么视场角的误差就会改变视场中发光部分所占面积的比例，从而影响到平均亮度。另外，对亮度计进行定标的光源亮度一般在104cd/m2这一数量级，而LED芯片的亮度数量级一般在106~107cd/m2，比前者高数百倍，因此必然会存在一定程度的线性误差。

(2)由衰减片引起的不确定度

辐射亮度计在测试高亮度的发光体时会导致信号溢出，因此通常会配合衰减片使用。衰减片的标称衰减倍数与实际值可能存在一定偏差，该偏差会直接影响测试结果的不确定度。

(3)定标光源的不确定度

亮度计定标时，标准光源的校准亮度值将直接赋值给亮度计，从而对测试结果产生影响。该不确定度分量也是所有分量中权重较高的一项。

(4)环境温度引起的测量不确定度

环境温度的变化会明显影响LED的光输出，与LED性能相关的检测标准几乎都要求将测试时的环境温度控制在25±1 ℃之内[4-5]。然而，根据测试经验，1 ℃的波动也可能导致0.5%左右的光输出变化，因此有必要考虑环境温度引起的测量不确定度。

(5)供电系统引起的测量不确定度

LED光源一般采用恒流供电，输入电流的大小会直接影响LED的光输出。IEC 62471:2006的附录C给出了一个与灯电流相关的不确定度传递示例。在该示例中， 0.1%的电流不确定度将导致300 nm处的信号产生0.9%的不确定度。

(6)人工操作引起的不确定度

人工操作引起的不确定度主要包括对焦产生的不确定度、摆放角度产生的不确定度和摆放距离产生的不确定度。目前，国产检测系统中使用的辐射亮度计几乎都只具备手动对焦模式，测试人员需要反复进行手动调节，并通过人工观察的方式来保证光源的像尽可能地清晰。由于调节精度和人眼识别能力的限制，对同一样品进行多次对焦的结果可能互不相同，因此需要考虑对焦产生的不确定度。对于非朗伯辐射体光源，不同观察方向上的亮度是不同的，如果测试人员在放置被测光源时没有将最大亮度方向对准探头，就会产生误差。对于极窄光束LED光源，1 °的角度偏差甚至可能导致10%以上的亮度偏差，从而严重影响测试结果。对于朗伯辐射体光源，尽管不同方向上的亮度相同，但放置角度的偏差会导致被测光源在辐射亮度计中的成像面积发生变化。如果该光源的发光面较小，不能充满0.011 rad的视场角，那么成像面积的变化也可能导致平均亮度发生变化。同样，尽管光源的绝对亮度不随测试距离发生变化，但测试距离的偏差会改变光源在辐射亮度计中的成像面积。因此，对于尺寸较小的光源，视场角内的平均亮度仍然会受到放置距离的影响。

2  蓝光加权辐亮度不确定度评定

2.1 测试设备

本次不确定度评定涉及的测试设备为杭州远方OST-300光生物安全测量系统，如图1所示。

2.2 测试对象

本次不确定度评定涉及的测试对象为带有75颗LED颗粒的模组。LED颗粒型号为2835，色温6500 K。实际测试时，仅对其中一颗LED进行测试，其余部分使用黑色不透光材料进行遮挡。

2.3 A类标准不确定度评定

对LED样品进行5次独立重复测量。LED发光面距离探头200 mm，中心光强方向正对探头，稳定燃点30分钟后进行测试。5次测量均使用相同的衰减片。结果如表1所示。

表1 测量结果

根据贝塞尔公式计算5次测量的实验标准差，该标准差即为A类标准不确定度[6]。计算得：

A类不确定度μA=120.0 W/(m2·sr)

相对不确定度μ'A= 3.48%

2.4 B 类标准不确定度评定

2.4.1 P(λ)的标准不确定度μP

P(λ)的不确定度来源主要为标准灯相对光谱能量分布校准不确定度μ1和光谱辐射计的光谱分布测量不确定度μ2。

标准灯相对光谱能量分布公式如下，其中，E(λi)是某一波长下标准灯的光谱辐照度。

根据中国计量科学研究院出具的校准报告（如图2所示），在蓝光加权辐亮度的测试波段内，n=17，其中λ1代表300 nm，λ17代表700 nm。

校准报告给出了每个E(λi)的不确定度，由此可以根据不确定度传播律计算出每个Q(λi)的不确定度。经计算，300 nm下的标准灯相对光谱能量不确定度为0.0024%，700 nm下的标准灯相对光谱能量不确定度为0.0022%。因此，标准灯相对光谱能量分布校准不确定度μ1非常小，对于μP的贡献可以忽略不计。

根据设备说明书中的波长准确度、带宽等指标综合分析，光谱辐射计的光谱分布相对测量不确定度μ'2约为0.5%。由于μ1已忽略，P(λ)的相对标准不确定度μ'P= μ'2= 0.5%。

2.4.2  L的标准不确定度μL

(1)标准亮度源校准不确定度μ3

根据校准报告，标准亮度源的相对标准不确定度μ'3=1.0%。

(2)手动对焦产生的不确定度μ4

根据经验，手动对焦产生的相对标准不确定度μ'4约为1.0%。

(3)样品摆放角度引起的不确定度μ5

根据经验，手动摆放样品的角度误差可控制在2 °以内。被测LED颗粒为余弦配光，当角度偏离中心2 °时，亮度不变，投影面积为原来的cos2 °（99.94%）。由于LED颗粒正确放置时在亮度计上所成的像处于0.011 rad视场内，那么角度偏离中心2 °时的平均亮度L即为正确放置时的99.94%。该不确定度的概率分布为均匀分布，因此相对不确定度μ'5=0.06% /= 0.04%。

(4)辐射亮度计本身的测量不确定度μ6

根据产品说明书，辐射亮度计的相对测量标准不确定度μ'6=2.5%。

(5) 环境温度导致的不确定度μ7

在25 ℃附近的区间内，环境温度变化1 ℃对被测样品亮度的影响约为0.5%。实际测试时的温度可控制在25±1 ℃内。该不确定度的概率分布为均匀分布，则环境温度导致的不确定度μ7=0.5% /=0.29%。

(6)衰减片产生的不确定度μ8

由于使用亮度源进行定标时使用了1片衰减片，而测试时使用了2片衰减片，因此需要考虑增加的1片衰减片造成的不确定度。根据设备技术资料，1片衰减片的相对标准不确定度μ8= 0.5%。

(7)供电电源导致的不确定度μ9

根据产品说明书，本次使用的直流电源的电流示值不确定度为0.15%。根据以往的测试数据和经验，输入电流对于光源亮度的灵敏度约为1，因此μ9=0.15%。

(8)线性误差导致的不确定度μ10

根据产品说明书，由线性误差导致的相对标准不确定度μ10=0.3%。

将上述8个分量进行合成，可得：

从而可以得到B 类相对标准不确定度：

2.5 不确定度的合成

合成相对标准不确定度计算如下：

最终得到本次蓝光加权辐亮度测量相对扩展不确定度μ=9.18% (k=2)。

3  结论

从上述分析中可以发现，由辐射亮度计、标准亮度源和手动对焦引起的不确定度分量对于最终结果的影响较大。因此，选用精度更高的检测设备和发光更稳定的标准光源是减少测量不确定度最有效的手段。为了减少人工对焦所产生的不确定度，除了提高操作人员的技术水平，设备制造商亦有必要加强自动对焦式辐射亮度计的研发。

本文给出的蓝光加权辐亮度扩展不确定度与杭州市质量技术监督检测院给出的数值较为接近[7]，具备一定的参考价值。检测机构在进行蓝光危害测试时应考虑到测试结果的不确定度，对于不合格结果的判定应谨慎进行。

图1 OST-300光生物安全测量系统

图2 标准灯光谱辐照度校准结果

参考文献

[1] IEC 62471:2006. Photobiological safety of lamps and lamp systems[S]. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2006.

[2] GB 7000.1-2015.灯具 第1部分:一般要求与试验[S].北京:中国标准出版社,2014.

[3] IEC/TR 62778:2014.Application of IEC 62471 for the assessment of blue light hazard to light sources and luminaires[S].Geneva: International Electrotechnical Commission, 2014.

[4] GB/T 24823-2017.普通照明用LED模块性能要求[S]. 北京:中国标准出版社, 2017.

[5] GB/T 24908-2014.普通照明用非定向自镇流LED灯性能要求[S].北京:中国标准出版社, 2014.

[6] JJF 1059.1-2012.测量不确定度评定与表示[S].北京:中国质检出版社, 2013.

[7] 蔡怡,朱腾飞,汪哲泓等. LED照明产品的光生物安全测量的不确定度评定[J].光学仪器, 2017, 39(4):15-17.