【技術專欄】LED：新光源、新考量 – 淺談光形與頻閃及其線上量测 @ LED照明的部落格

LED普遍被認為是下世代的主流照明技術，然而在照明產業轉換光源的過程中，因其特性上的不同，LED作為新光源也較傳統光源多了些新考量。例如LED的表現會隨著結點溫度（junction temperature）不同而不同，於是乎LED作為新光源也就多了散熱的考量；例如LED的光形會隨著元件與二次光學的設計不同而不同，設計上也就多了更多的考量與彈性；例如LED驅動方式與傳統光源不同，不同的驅動電路設計也使LED光源的表現大為不同。本文特別針對LED作為照明新光源，其光形（spatial distribution）與頻閃（flicker）的考量提出討論，並介紹其線上量測的解決方案。

光形

雖然近年來LED元件設計大幅增加了各方向的光取出率，但相對來說LED還是指向性較高的光源。在球泡燈的應用上，過往幾年LED燈泡因其元件特性與散熱設計，多採取半周光燈泡的設計，其燈泡發光角度約只為120°，較傳統白熾燈泡的300°可謂大幅縮小，如圖一所示，而既有燈具一般是為傳統白熾燈泡做設計，在直接取代的替換光源應用上，使用者的感受明顯與期待有所落差，如圖二所示，也因如此，較新的設計紛紛採取能有較大出光角度的全周光設計，而對全周光不同方向的出光量，也有相對應的規定與要求，如美國的能源之星計劃，便針對全周光的光形有如圖三的要求，在剖面的135°~180°的區間，要求其光通量不得低於總光通量的5%。針對不同型態的光源型式與應用，其對光源的配光要求也會有所不同，如日本針對LED燈管便有JEL 801的規範，要求在120°的區間內，其光通量需小於總光通量的70%，如圖所示四。

圖一燈泡光形比較.

圖二全周光與半周光燈泡在相同燈具上的表現

圖三美國能源之星對全周光燈泡之要求

圖四日本JEL 801之燈管光形要求

頻閃

所謂的頻閃（flicker）是光源強度隨著時間有明暗變化的現象，而頻閃隨著其明暗變化的振幅大小與變化頻率，對人身體也會有不同程度的影響。在IEEE Standard P1789 的報告指出人眼可辨識頻率70Hz以下的頻閃，而人生理上對這樣的頻閃可能會有頭痛、眼花、心神不安、或引發癲癇等反應。人體對於高於70Hz較無法感知的頻閃，也並非毫無反應，可能引發的生理反應有頭痛、眼睛疲勞、長期使用會影響視力、有些個案會引發心跳加快等等，研究顯示可能需要高於160Hz以上，甚至高於200Hz方能對生理危害較無疑慮。而可允許的明暗變化振幅大小，也與頻率高低有關，在低頻的頻閃狀況下，些微的明暗變化便有可能會引發生理反應。除了生理危害之外，在某些應用場合也會有不同考量，如在攝影棚的應用上，攝影機等設備能擷取到更高頻率的變化，對頻閃的要求也相對較高，尤其是現今智慧型手機普及，消費者隨時隨手均能對生活週遭事物攝影，有頻閃的照明對於攝影品質是極大的傷害，也會引來消費者的抱怨。

由於頻閃對於LED照明至關重要，各國各組織紛紛對此做研究，並定義相對應的規範與標準，如美國能源之星計劃、IEC、ANSI、CIE等等組織均有相關於頻閃的規範與研究，例如對於明暗變化的振幅大小，ANSI/ IES便定義了兩個指標來描述，分別為Percent Flicker與Flicker Index，其相關定義如圖五所示。Percent Flicker由時域上光波形的振幅大小定義，Flicker Index則從能量觀點來作為定義。針對頻率部分，雖然有研究顯示可能約需高於160Hz以上方能無生理危害，但因這部份尚無結論，並考量現有技術與成本，各國規範大致是以電力系統頻率的二次諧波作為規範，如美國電力為60Hz，能源之星便要求LED照明不能有低於120Hz的頻閃，但相信隨著相關研究陸續有成果後，對於可允許的頻閃頻率規範可能也會有相對應之修改。

圖五 ANSI/ IES定義之頻閃指標

LED作為新光源，頻閃之所以會是須考量的重點，在於傳統光源其頻閃現象較為一致，而LED則會因為設計上的取捨與選擇，而有很大的差異。表一為各種光源使用上述頻閃指標的數值範圍，由表可知各種傳統光源其指標一致，但LED光源因驅動電路設計的不同，可能會有極為不同的表現。

表一各種光源頻閃指標

光形與頻閃的線上測試

甫獲得LEDinside極光獎最佳後段製程LED檢測設備獎的線上式發光二極體照明測試系統，除了流明、色溫等等傳統檢測之外，特別針對光形與頻閃也提出了線上檢測的方法。測試系統架構如圖六所示，其相關測試原理則詳述於「LED照明產品在生產線上測試的可行性與必要性」一文中。

圖六 LED燈線上測試系統架構

實驗室中對於光形分佈是使用分佈光度計（Goniophotometer）作為量測設備，然而分佈光度計不僅體積龐大，且每次量測約需數小時的時間，實不適合作為生產檢測使用。致茂電子的線上測試系統，使用多個大面積光偵測器，在待測物周圍適當佈滿，因此透過這多個光偵測器所測得光量，便能大略描繪出待測物之光形分佈。如在燈泡的應用中，藉由光偵測器的適當排列，便能檢測能源之星要求的剖面135°~180°區間光通量檢測要求，如圖七所示。類似的，在燈管的應用中，藉由光偵測器的適當排列，亦能針對如日本JEL 801對燈管光形之要求，如圖八所示。表二為應用圖七方式，針對5000顆全周光LED燈泡實測其剖面135~180度區間光通量百分比結果。因其來料品質與組裝精準度問題，雖然已作了全周光的設計，但還是有近70顆燈泡不符合能源之星規範。

圖七燈泡光形線上檢測 — 美國能源之星要求範例

圖八燈管光形線上檢測 — 日本JEL要求範例

表二全周光燈泡能源之星規範實測

針對頻閃部份，線上測試系統使用單晶矽太陽能板作為光偵測器，藉由適當的取樣（sampling）技術，便能適當描繪待測物之光輸出於時域上（time domain）之波形，透過軟計算後，提供了包括Percent Flicker、Flicker Index與頻率資訊，藉由傅利葉轉換（Fourier Transform），亦提供了完整的頻域（frequency domain）資訊。配合系統所配置之數位功率表，便能在時域上同時描繪出電壓、電流、與光輸出波形，方便工程人員作進一步之分析驗證之用，如圖九所示。圖十則為市售幾種不同LED燈泡實測結果波形，由圖可知各家燈泡之波形表現極為不同，其頻閃現象也極為不同，與傳統光源頻閃現象一致的情形大異其趣，也增添了LED光源應用上的困難。