LED： 新光源、新考量 – 浅谈光形与频闪及其在线量测

LED普遍被认为是下世代的主流照明技术，然而在照明产业转换光源的过程中，因其特性上的不同，LED作为新光源也较传统光源多了些新考量。例如LED的表现会随着结点温度（junction temperature）不同而不同，于是乎LED作为新光源也就多了散热的考量；例如LED的光形会随着元件与二次光学的设计不同而不同，设计上也就多了更多的考量与弹性；例如LED驱动方式与传统光源不同，不同的驱动电路设计也使LED光源的表现大为不同。本文特别针对LED作为照明新光源，其光形（spatial distribution）与频闪（flicker）的考量提出讨论，并介绍其在线量测的解决方案。

光形

虽然近年来LED元件设计大幅增加了各方向的光取出率，但相对来说LED还是指向性较高的光源。在球泡灯的应用上，过往几年LED灯泡因其元件特性与散热设计，多采取半周光灯泡的设计，其灯泡发光角度约只为120°，较传统白炽灯泡的300°可谓大幅缩小，如图一所示，而既有灯具一般是为传统白炽灯泡做设计，在直接取代的替换光源应用上，使用者的感受明显与期待有所落差，如图二所示，也因如此，较新的设计纷纷采取能有较大出光角度的全周光设计，而对全周光不同方向的出光量，也有相对应的规定与要求，如美国的能源之星计划，便针对全周光的光形有如图三的要求，在剖面的135°~180°的区间，要求其光通量不得低于总光通量的5%。针对不同型态的光源型式与应用，其对光源的配光要求也会有所不同，如日本针对LED灯管便有JEL 801的规范，要求在120°的区间内，其光通量需小于总光通量的70%，如图所示四。

图一 灯泡光形比较

图二 全周光与半周光灯泡在相同灯具上的表现

图三 美国能源之星对全周光灯泡之要求

图四 日本JEL 801之灯管光形要求

频闪

所谓的频闪（flicker）是光源强度随着时间有明暗变化的现象，而频闪随着其明暗变化的振幅大小与变化频率，对人身体也会有不同程度的影响。在IEEE Standard P1789 的报告指出人眼可辨识频率70Hz以下的频闪，而人生理上对这样的频闪可能会有头痛、眼花、心神不安、或引发癫痫等反应。人体对于高于70Hz较无法感知的频闪，也并非毫无反应，可能引发的生理反应有头痛、眼睛疲劳、长期使用会影响视力、有些个案会引发心跳加快等等，研究显示可能需要高于160Hz以上，甚至高于200Hz方能对生理危害较无疑虑。而可允许的明暗变化振幅大小，也与频率高低有关，在低频的频闪状况下，些微的明暗变化便有可能会引发生理反应。除了生理危害之外，在某些应用场合也会有不同考量，如在摄影棚的应用上，摄影机等设备能撷取到更高频率的变化，对频闪的要求也相对较高，尤其是现今智慧型手机普及，消费者随时随手均能对生活周遭事物摄影，有频闪的照明对于摄影品质是极大的伤害，也会引来消费者的抱怨。

由于频闪对于LED照明至关重要，各国各组织纷纷对此做研究，并定义相对应的规范与标准，如美国能源之星计划、IEC、ANSI、CIE等等组织均有相关于频闪的规范与研究，例如对于明暗变化的振幅大小，ANSI/ IES便定义了两个指标来描述，分别为Percent Flicker与Flicker Index，其相关定义如图五所示。Percent Flicker由时域上光波形的振幅大小定义，Flicker Index则从能量观点来作为定义。针对频率部分，虽然有研究显示可能约需高于160Hz以上方能无生理危害，但因这部份尚无结论，并考量现有技术与成本，各国规范大致是以电力系统频率的二次谐波作为规范，如美国电力为60Hz，能源之星便要求LED照明不能有低于120Hz的频闪，但相信随着相关研究陆续有成果后，对于可允许的频闪频率规范可能也会有相对应之修改。

图五 ANSI/ IES定义之频闪指标

LED作为新光源，频闪之所以会是须考量的重点，在于传统光源其频闪现象较为一致，而LED则会因为设计上的取舍与选择，而有很大的差异。表一为各种光源使用上述频闪指标的数值范围，由表可知各种传统光源其指标一致，但LED光源因驱动电路设计的不同，可能会有极为不同的表现。

表一 各种光源频闪指标

光形与频闪的在线测试

甫获得LEDinside极光奖最佳后段制程LED检测设备奖的在线式发光二极体照明测试系统，除了流明、色温等等传统检测之外，特别针对光形与频闪也提出了在线检测的方法。测试系统架构如图六所示，其相关测试原理则详述于“LED照明产品在生产在线测试的可行性与必要性”一文中。

图六 LED灯在线测试系统架构

实验室中对于光形分布是使用分布光度计（Goniophotometer）作为量测设备，然而分布光度计不仅体积庞大，且每次量测约需数小时的时间，实不适合作为生产检测使用。致茂电子的在线测试系统，使用多个大面积光侦测器，在待测物周围适当布满，因此透过这多个光侦测器所测得光量，便能大略描绘出待测物之光形分布。如在灯泡的应用中，藉由光侦测器的适当排列，便能检测能源之星要求的剖面135°~180°区间光通量检测要求，如图七所示。类似的，在灯管的应用中，藉由光侦测器的适当排列，亦能针对如日本JEL 801对灯管光形之要求，如图八所示。表二为应用图七方式，针对5000颗全周光LED灯泡实测其剖面135~180度区间光通量百分比结果。因其来料品质与组装精准度问题，虽然已作了全周光的设计，但还是有近70颗灯泡不符合能源之星规范。

图七 灯泡光形在线检测 — 美国能源之星要求范例

图八 灯管光形在线检测 — 日本JEL要求范例

表二 全周光灯泡能源之星规范实测

针对频闪部份，在线测试系统使用单晶矽太阳能板作为光侦测器，藉由适当的取样（sampling）技术，便能适当描绘待测物之光输出于时域上（time domain）之波形，透过软计算后，提供了包括Percent Flicker、Flicker Index与频率资讯，藉由傅利叶转换（Fourier Transform），亦提供了完整的频域（frequency domain）资讯。配合系统所配置之数位功率表，便能在时域上同时描绘出电压、电流、与光输出波形，方便工程人员作进一步之分析验证之用，如图九所示。图十则为市售几种不同LED灯泡实测结果波形，由图可知各家灯泡之波形表现极为不同，其频闪现象也极为不同，与传统光源频闪现象一致的情形大异其趣，也增添了LED光源应用上的困难。

图九 频闪之完整时域与频域分析

图十 市售LED灯泡频闪实测波形

结论

LED作为新光源，因其与传统光源特性上的不同，也带给照明业者使用上的新考量与挑战。本文特别针对光形与频闪做讨论。甫获得LEDinside极光奖最佳后段制程LED检测设备奖之致茂电子在线测试设备，结合了自动化达成在线测试目的，除了一般的流明、色温等参数检测外，亦针对光形与频闪提供了完整的解决方案。

致茂电子将于广州照明展时展出此先进检测设备，欢迎业界先进莅临指导。

来源：致茂电子 LED产品经理 张敏宏