LED照明产品在生产在线测试的可行性与必要性

 LED因其省电、环保的特性，普遍被认为是下世代的主流照明技术，各厂商各国政府无不看好此项技术，纷纷投入大量资源投资，然而时至今日，LED照明相对偏高的价格，让市场的开展始终不如预期。除了价格因素之外，LED照明的规格标示不一、参差不齐的质量、无法预期的可靠度等等，也都是LED照明市场推广的阻碍。有鉴于此，各LED照明标准纷纷出台，对量测手法也多所著墨，如IESLM-79便规范了积分球与分布亮度计等量测方式。然而标准规范的方式往往只考虑了准确性，对使用上的方便性、测试所需花费的时间等等其他因素往往忽略，使得标准所规范的量测方式只能在实验室应用，如积分球与分布亮度计的上下料件便利性，测试所需花费的空间与时间等，均使其在生产在线不易使用，而只在实验室里的少量测试，对于整体LED照明产品的质量提升帮助有限，也使消费者不易更广泛的接受LED照明产品。

　　系统原理

　　若能有一测试方式能满足如下条件：1）方便上下料件，2）设备尺寸适中，3）量测时间快速，4）测试成本低廉，5）量测数值能与实验室设备有良好比对结果，则LED照明产品在生产在线百分之百测试将是可行，LED照明产品的质量问题也才能不再为消费者诟病。

　　因此，假若能在LED待测物周围，以适当的方式布满光侦测器，则此量测设备本身将只比待测物尺寸略大一些，而此量测设备亦较容易与自动化结合。

　　致茂电子推出一创新之量测方式，采用单晶硅太阳能板（mono-crystalline silicon solar cell）为光侦测器，在待测物周围适当布满，如图一的灯泡测试与图二的灯管测试结构，利用太阳能板的光电转换原理，以及太阳能板相对大面积与成本较低廉之特点，不仅大幅缩减了量测设备尺寸，也大幅提升了测试速度，含上下料件时间在内，每颗LED灯泡的所有光电参数测试可在六秒钟内完成，实现了在生产在线测试的可能性。

图一 创新灯泡量测系统

图二 创新灯管量测系统　　本方法利用太阳能板接收到光的能量能转换成电的特性，来达成光能量侦测的目的。一般商用单晶硅太阳能板对波长的响应如图三所示，图中列了三片太阳能板的波长响应实际量测数据，由图中可知，在一般LED的波长应用范围内，单晶硅太阳能板均能有不错的响应。而太阳能板的短路电流，其电流值大小为其所接收光能量的函式，由此特性，便能藉由量测此短路电流的数值，而得知LED照明产品所发出光的能量，亦即其流明值。当然，太阳能板的质量须经过严格的筛选程序，方能用来做为光侦测器，例如每片太阳能板上各区的响应度均需一致等等条件。

图三 单晶硅太阳能板波长响应

　　系统架构

　　在LED照明市场推广过程中，各国政府无不推行各相关标准规范，如美国的能源之星计划，便要求LED照明厂家提供光电参数规格予消费者，诸如光通量流明（lumen）、功率因子（power factor）、色温（CCT）、演色性（CRI）、发光效率（efficacy，lm/W）…等等，所以一完善的生产量测设备，需有能力能完成这些所有的光电参数量测。因此，此量测系统包含了交流电源、数字功率表、直流电源、与光学量测模块。光学量测模块如上述图一与图二所示，模块根据待测物尺寸做适当设计，于模块内侧各面贴附太阳能板做为光侦测器，并配备有光谱仪与多信道光纤，如图六所示，用以量测颜色相关参数。

　　以球泡灯量测设备为例，其系统架构如图四，光学量测模块如图五所示。其中各模块之功能如下：

　　交流电源：提供待测物交流电源

　　直流电源：提供待测物直流电源

　　数位功率表：量测相关电性参数

　　光学量测模块：提供光学参数量测之光路与工具

　　光谱仪：量测颜色相关参数

图四 量测设备系统架构

图五 球泡灯光学量测模块

图六 光谱仪搭配多通道光纤　　系统表现

　　可由两主要指标来衡量此生产测试设备之表现，一为量测之重复性，一为量测之精准度。实验结果显示流明值与颜色相关参数的重复性表现均极为优秀，量测数值与积分球比对也具有高度关联性。从系统重复性与精准度的表现，可知此量测方式用于生产在线的测试是极为恰当。

　　系统表现：重复性

　　重复性验证待测物采用卤素灯泡，并预热暖机一小时使光源稳定后，置于图五之光学量测模块内，进行400次之重复性量测。量测结果如表一与图七所示。光通量流明值重复性结果为0.19%，颜色色坐标重复性Δu‘v‘在0.00021之内。

　　系统表现：精准度

　　精准度的比较是使用如图五与图六所示之光学模块，比较对象则为一50cm积分球。两套系统在精准度比较前，均先经过适当的校正与对校流程。待测物为7瓦暖白灯泡与10瓦冷白灯泡各十颗。所有待测物在实验前，均需经过足够之预热暖机程序，确保所有量测均是在光源稳定的稳态下进行。

　　7瓦暖白灯泡精准度比对

　　待测物为10颗7瓦暖白灯泡，光通量流明值范围为350lm~430lm，色温范围为2400K~2600K。经过足够之预热暖机程序后，分别于光学量测模块与积分球进行量测。比对结果如表二与图八所示。

图八 精准度比较结果（7瓦暖白灯泡）

　　比对结果显示，最大的流明值误差小于2%，色温最大误差小于25K。精准度比对的标准偏差分别为，流明值约0.85%，色温约为11K。　　10瓦冷白灯泡精准度比对

　　待测物为10颗10瓦冷白灯泡，光通量流明值范围为500lm~570lm，色温范围为5500K~5900K。经过足够之预热暖机程序后，分别于光学量测模块与积分球进行量测。比对结果如表三与图九所示。

图九 精准度比较结果（10瓦冷白灯泡）

　　比对结果显示，最大的流明值误差小于1%，色温最大误差小于32K。精准度比对的标准偏差分别为，流明值约0.45%，色温约为19K。

　　生产测试之必要性

　　如图十所示为某一厂家采用如图二所示之灯管光学量测模块，针对生产在线两批量生产之四尺LED灯管进行量测，每批量各约1000根灯管，共约2000根灯管所得之量测数据。由分析可知，此两批量的生产间存在生产质量的变异，且单一批量的生产也存在制程管控所造成质量发散的现象。

图十 生产在线测试数据分析

　　结论

　　由实验结果显示，这样的量测系统无论在重复性或精准度上，均能达成生产在线使用之目的。而此种量测系统所需空间仅约比待测物略大，亦方便搭配自动化机构而成全自动化量测设备，因此特别适合在生产在线使用。

　　而由前述生产在线实际发生的案例，与消费者的使用经验可知，现今的LED照明产品确实存在着质量参差不齐的现象，对LED照明市场的推广确实形成了阻碍。值此之时，唯有透过生产在线的百分之百测试，方能对质量把关，也唯有如此，LED照明方能早日蓬勃发展。