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前言
LED因其省電、環保的特性，普遍被認為是下世代的主流照明技術，各廠商各國政府無不看好此項技術，紛紛投入大量資源投資，然而時至今日，LED照明相對偏高的價格，讓市場的開展始終不如預期。除了價格因素之外，LED照明的規格標示不一、參差不齊的質量、無法預期的可靠度等等，也都是LED照明市場推廣的阻礙。有鑒於此，各LED照明標準紛紛公佈，對量測手法也多所著墨，如IES LM-79便規範了積分球與分佈亮度計等量測方式。然而標準規範的方式往往只考慮了準確性，對使用上的方便性、測試所需花費的時間等等其他因素往往忽略，使得標準所規範的量測方式只能在實驗室應用，如積分球與分佈亮度計的上下料件便利性，測試所需花費的空間與時間等，均使其在生產在線不易使用，而只在實驗室里的少量測試，對於整體LED照明產品的質量提升幫助有限，也使消費者不易更廣泛的接受LED照明產品。
系統原理
若能有一測試方式能滿足1)方便上下料件，2)設備尺寸適中，3)量測時間快速，4)測試成本低廉，5)量測數值能與實驗室設備有良好比對結果，若能滿足這些條件，則LED照明產品在生產在線百分之百測試將是可行，LED照明產品的質量問題也才能不再為消費者詬病。
因此，假若能在LED待測物周圍，以適當的方式布滿光偵測器，則此量測設備本身將只比待測物尺寸略大一些，而此量測設備亦較容易與自動化結合。
致茂電子推出一創新之量測方式，採用單晶矽太陽能板(mono-crystalline silicon solar cell)為光偵測器，在待測物周圍適當布滿，如圖一的燈泡測試與圖二的燈管測試結構，利用太陽能板的光電轉換原理，以及太陽能板相對大面積與成本較低廉之特點，不僅大幅縮減了量測設備尺寸，也大幅提升了測試速度，含上下料件時間在內，每顆LED燈泡的所有光電參數測試可在六秒鐘內完成，實現了在生產在線測試的可能性。
本方法利用太陽能板接收到光的能量能轉換成電的特性，來達成光能量偵測的目的。一般商用單晶矽太陽能板對波長的響應如圖三所示，圖中列了三片太陽能板的波長響應實際量測數據，由圖中可知，在一般LED的波長應用範圍內，單晶矽太陽能板均能有不錯的響應。而太陽能板的短路電流，其電流值大小為其所接收光能量的函式，由此特性，便能藉由量測此短路電流的數值，而得知LED照明產品所發出光的能量，亦即其流明值。當然，太陽能板的質量須經過嚴格的篩選程序，方能用來做為光偵測器，例如每片太陽能板上各區的響應度均需一致等等條件。
系統架構
在LED照明市場推廣過程中，各國政府無不推行各相關標準規範，如美國的能源之星計劃，便要求LED照明廠家提供光電參數規格予消費者，諸如光通量流明(lumen)、功率因數(power factor)、色溫(CCT)、演色性(CRI)、發光效率(efficacy, lm/W)…等等，所以一完善的生產量測設備，需有能力能完成這些所有的光電參數量測。因此，此量測系統包含了交流電源、數字功率表、直流電源、與光學量測模塊。光學量測模塊如上述圖一與圖二所示，模塊根據待測物尺寸做適當設計，於模塊內側各面貼附太陽能板做為光偵測器，並配備有光譜儀與多通道光纖，如圖六所示，用以量測顏色相關參數。
以球泡燈量測設備為例，其系統架構如圖四，光學量測模塊如圖五所示。其中各模塊之功能如下：
系統表現
可由兩主要指標來衡量此生產測試設備之表現，一為量測之重複性，一為量測之精準度。實驗結果顯示流明值與顏色相關參數的重複性表現均極為優秀，量測數值與積分球比對也具有高度關聯性。從系統重複性與精準度的表現，可知此量測方式用於生產在線的測試是極為恰當。
系統表現：重複性
重複性驗證待測物採用鹵素燈泡，並預熱暖機一小時使光源穩定後，置於圖五之光學量測模塊內，進行400次之重複性量測。量測結果如表一與圖七所示。光通量流明值重複性結果為0.19%，顏色色坐標重複性Δu'v‘ 在0.00021之內。
系統表現：精準度
精準度的比較是使用如圖五與圖六所示之光學模塊，比較對象則為一50cm積分球。兩套系統在精準度比較前，均先經過適當的校正與對校流程。待測物為7瓦暖白燈泡與10瓦冷白燈泡各十顆。所有待測物在實驗前，均需經過足夠之預熱暖機程序，確保所有量測均是在光源穩定的穩態下進行。
7瓦暖白燈泡精準度比對
待測物為10顆7瓦暖白燈泡，光通量流明值範圍為350lm~430lm，色溫範圍為2400K~2600K。經過足夠之預熱暖機程序後，分別於光學量測模塊與積分球進行量測。比對結果如表二與圖八所示。
比對結果顯示，最大的流明值誤差小於2%，色溫最大誤差小於25K。精準度比對的標準偏差分別為，流明值約0.85%，色溫約為11K。
10瓦冷白燈泡精準度比對
待測物為10顆10瓦冷白燈泡，光通量流明值範圍為500lm~570lm，色溫範圍為5500K~5900K。經過足夠之預熱暖機程序後，分別於光學量測模塊與積分球進行量測。比對結果如表三與圖九所示。
比對結果顯示，最大的流明值誤差小於1%，色溫最大誤差小於32K。精準度比對的標準偏差分別為，流明值約0.45%，色溫約為19K。
生產測試之必要性
如圖十所示為某一廠家採用如圖二所示之燈管光學量測模塊，針對生產在線兩批量生產之四尺LED燈管進行量測，每批量各約1000根燈管，共約2000根燈管所得之量測數據。由分析可知，此兩批量的生產間存在生產質量的變異，且單一批量的生產也存在製程管控所造成質量發散的現象。
結論
由實驗結果顯示，這樣的量測系統無論在重複性或精準度上，均能達成生產在線使用之目的。而此種量測系統所需空間僅約比待測物略大，亦方便搭配自動化機構而成全自動化量測設備，因此特別適合在生產在線使用。
而由前述生產在線實際發生的案例，與消費者的使用經驗可知，現今的LED照明產品確實存在著質量參差不齊的現象，對LED照明市場的推廣確實形成了阻礙。值此之時，唯有透過生產在線的百分之百測試，方能對質量把關，也唯有如此，LED照明方能早日蓬勃發展。
致茂電子將於廣州照明展時展出此先進檢測設備，歡迎業界先進蒞臨指導。
來源：致茂電子 LED產品經理張敏宏
