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光线数据在半导体照明产品研发中的应用
作者:    发布于:2019-10-21 21:57   
摘要:Knut Bredemeier1 刘小波2, 诸家顺2 陈鹏2(1.德国,TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH;2.光傲科技股份......

Knut Bredemeier1 刘小波2, 诸家顺2 陈鹏2   (1.德国,TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH;2.光傲科技股份有限公司,上海 201101)
  摘 要:随着传统的照明灯具逐渐被LED等固态照明技术所取代,以及应用领域的快速增长,对于光线数据的测试需求也在不断增加。得到准确的光线数据对于照明产品的研发至关重要。使用光线追踪算法的光学仿真模拟软件是灯具开发的高效途径。   目前最先进的光线数据测试方法是采用基于成像亮度计的近场分布式光度计,该系统也可以同时测量光强分布、光通量。并且符合IES LM-79-08, EN 13032-4以及CIE S 025的标准。从而可以逐渐取代传统的远场分布式光度计。   本文主要阐述了采用近场分布式光度计所测得的光线数据的应用,以及成像式亮度计在光学仿真,眩光分析,灯具表征分析等领域的应用。。   关键词:光度学,固态照明,近场分布式光度计,光线文件,成像式亮度计,光学仿真,眩光

  1、照明器件
  照明器件是一个笼统的称呼,它包含了光源,光学组件以及整套系统的所有其它组成部分。对于照明系统而言,我们可以按用途来分成基本照明系统,信号灯系统,显示系统三大类。   基本的照明系统例如家用灯具、泛光灯、车大灯等都需要确保光源所发出的光高效地分布在特定区域。而对于信号灯以及显示系统而言(如尾灯、背光字符、显示器件)主要目地则是得到良好的可视性,所以对于亮度的测试就会显得更加重要。   2、亮度   大部分情况下亮度值就相当于我们人眼所捕捉到的光的明亮程度,因此亮度值是直接与我们的感官所相关联的。随着照明系统的发展,成像式亮度计也被应用于越来越多的场合。成像式亮度计既可以作为一个单独的测量系统也可以作为近场分布式光度计的一个组成部分。 图片1
图1:紧急指示灯及LED背光显示字符的亮度分布 图片2
图2:左图 灯具亮度分布,用于眩光评价 右图:LED 模组亮度分布(Zhaga测试)   3、光线数据以及光强分布在灯具研发中的应用   照明器件的开发周期越短,开发过程就越严格,需要尽可能避免反复的结构设计和验证的工作。设计过程包含了复杂的几何光学以及波动光学的计算,而且最终的结果都是需要真实的光学系统才能验证的。如果有问题就需要重新设计再验证。自上世纪九十年代以来,一种基于光线追踪算法的高性能软件已经被广泛应用,可以更轻松地完成研发工作。它最初被设计用于研发车灯系统,但现在它已经被广泛应用于各个照明领域。 图片3
图3 一款车灯模型的仿真图   为了实现准确的光学仿真设计,、我们不仅需要丰富的理论知识还应该了解所有光学部件所具有的光学特性,因为这涉及到了光源本身的辐射特性以及光的传播特性。当我们建立一个简单的光学模型,光源的强度分布我们可以用Iv(q,j)来表示,我们假设光源是一个点光源,那它在距离光源r米出的照度值就可以通过平方反比定理来得到,反之亦然。 图片4   但如果光源到光学组件的距离非常短,远小于配光测试的距离。那就不能把这个光源视作点光源来处理。下图展示了一个由LED光源与菲涅尔透镜组成的照明系统。其中红线表示了点光源的光线追迹路径,绿线表示光源实际的光线路径。 图片5
图4 点光源与光源实际光线追迹差异   因此在实际设计中应考虑光源的空间辐射特性,光学仿真软件可以根据光学系统结构以及材料特性进行光源建模。但它并不总是正确的,而且会花费大量的时间。因此最佳的选择是通过测试得到光源的空间辐射特性,而不是通过软件模拟。   在九十年代,近场分布式光度计就已经成为了测试光源辐射特性的主流设备。它使用一个成像式亮度计得到光源完整的亮度分布然后再输出光线数据值 qv(x,y,q,j). 一组光线数据通常由大量的光线矢量(106-109)组成,它适用于所有的光学仿真软件。下图展示了一个横向发光LED的光强分布及光线图。 图片6
图5 LED光强分布,光线图   通过计算到达光学组件表面的光线的光通量,就可以得到光源在该光学组件上的照度值。 图片7   以上图的LED为例,我们在距离它10mm处根据光强分布(配光)来计算出它的照度值,再通过它的光线数据来得到它的照度值。下图展示了这两种方法所计算出的照度分布情况。可以明显看出由于测试距离过短而造成的结果差异。 图片8
图6分别通过光强分布(左图)以及光线数据(右图)计算出的照度分布   分别对比水平与垂直方向的照度分布,偏差最大处可达10%。只有当测试距离在50mm时,LED内部结构所造成的偏差才可以基本忽略不计,此时可以用光强分布来计算照度值。 图片9
图7 水平及垂直方向的照度分布差异图(分别通过光强计算以及光线数据计算)   有些时候我们需要知道光源近距离处的照度值,这个时候用光线数据来计算是唯一准确的方法。   4、光线数据的测量   光学工程师可以使用格式正确、光线数量确定的光线文件来进行仿真,或者是由厂商提供的特定格式文件再通过格式转换软件来得到需要的光线文件。只有得到光源的光线数据才能更好地评估光源的特性以及应用的局限性。下面将进行更详细的说明。   4.1 测试原理   光源的辐射特性可以用一个7D函数来表示 QQ截图20191018104459   这个公式包含了虚拟观察位置,Vx,Vy,Vz以及相对应的观察方向q,j。也可以加入光谱特性?,以及时间函数t.我们可以通过减少参数来得到这个函数的测试值。我们可以假设测试是静态的,那时间函数t是固定的,光谱特性l通常是指光的积分函数,例如用视觉函数V(l)来或者颜色通道(参见4.3节)来进行评价。然后我们就可以把这个7D函数简化为一个5D函数,我们也称它为光场[6]。 QQ截图20191018104511 QQ截图20191018104530   为了得到这个函数的值我们可以通过离散化得到一组光线值 QQ截图20191018104536   目前市场上用来测试光线数据的近场分布式光度计基本都采用了这个原理,只是具体的实施方法由各自的厂家制定。本文我们主要简单地描述一下TechnoTeam 的RiGO801近场分布式光度计。RiGO801有多种型号可以满足不同大小灯具的测试需求。最小款的可以用来测大小约200mm的被测物,主要是LEDs/OLEDs。大一点的可以用来测各种类型的发光产品,最大可测2000mm的产品。 QQ截图20191018104542
图8分布式光度计RIGO801-LED(左)RIGO801-2000(右)   RiGO801采用成像式亮度相机LMK5,通过围绕被测物做球形扫描,得到亮度图片。通过空间校准文件,就可以知道空间中的光线在相机CCD芯片上对应的位置。 QQ截图20191018104549
图9 相机坐标系统   以此来定义光线的矢量,所以我们就可以通过亮度信息计算出每个像素的光通量信息。 QQ截图20191018104601
图10亮度图像(左)及对应的光通量图像(右)   TechnoTeam所采用的TTR文件是一个高效的文件储存格式,它保存的并不是转换好的光线数据而是图片的光通量信息,可以轻易地根据像素网格进行压缩。当我们需要把光通量图片转换成光线数据时,可以采用免费的Converter801转换软件。它可以帮助我们实现任意格式的数据转换。 图片111
图11 在TTR文中光通量图像的排序   为了评估及使用光线数据,明确所采集的光线的坐标信息是十分重要的。因此在测试开始前通常会预先对被测物进行拍摄,明确被测物的坐标系。 图片222
图12 被测物的坐标系统   4.2 光线强度的计算   发光强度的本质就是单位立体角内的光通量, 图片333   光线数据包含了各个方向的光通量,所以我们只要根据对应的立体角信息即可算出发光强度。因此我们可以采用近场分布式光度计来进行光强的测试。   4.3光谱数据   到目前为止,我们考虑了包含光通量信息的光线数据。但是一旦需要考虑到与波长相关的折射或者散射时,我们必须知道每一根光线的光谱信息,就是说每一根光线都需要包含光谱能量分布的信息。因此我们可以采取多通道分别测试的方法,比如采用不同的光谱滤光片。   以白光LED为例,我们可以在测试时分别使用蓝色及黄色滤光片,然后测出LED在不同角度下蓝光波段及黄光波段的能量值,最后依据光谱信息模拟出该光线数据的光谱能量分布情况。 图片444
图13 分隔成蓝光以及黄光两个光谱波段   4.4文件格式   一般分布式光度计测试结果的文件格式都是由制造厂家制定的,但必须提供格式转换软件使得它能被转换成仿真软件所识别的格式,在IES TM-25被推出之前,很多仿真软件都有自己的格式,比如ASAP?, SPEOS?, Light Tools?,Zemax?, TracePro?, …。但它们间的差异是比较小的。随着光源光谱信息测试需求的增加,它们都显示出了各自的局限性,所以TM-25格式就被大力推广作为新的文件保存格式。   4.5测试不确定度,分辨率以及动态范围   光线束是光场中的离散函数,由于测试的复杂性,到目前为止还没有完整的方法来表征分布式光度计的不确定度,也没有办法来直接比对两组光线数据。所以通常会对比测得的光源强度分布或者照度值,所以对于用户而言,要明确哪些因素可能会导致测试结果的偏差。   4.5.1不确定度   光源具有出射点、方向、能量等几个因素,都有可能造成测试误差。出射点和方向的误差体现在以下几个因素: ※ 角度计的坐标精度,例如方位角(φ)坐标轴与天地角(θ)坐标的正交偏差。
※ 在各个方向相机的中心光轴与整个角度计中心的一致性。
※ 相机本身的精准度(通常被透镜畸变,滤光片所影响)。
※ 相机位置的绝对精度(距离、角度)。
  光通量的测试精度受一下两个因素影响: ※ 相机的亮度测试精度。
※ 立体角测试精度。
  通过光线数据,我们就可以得到一些表征光源的基本特性。比如通过仿真模拟,光线数量足够多的的话,我们可根据光线数据计算某一平面内光源的亮度分布情况,可以看到清晰的光源结构。如果结构模糊,通常意味着平面内光线的位置有偏差。此外,也可以在经过坐标中心的断面上计算光强分布,在不同的方向上虞标准的光强分布进行对比。   4.5.2 分辨率   光线数据得到的是一组离散的矢量函数,一般来说信号的离散化必须满足奈奎斯特-香浓定理(Nyquist-Shannon)。采样频率必须大于信号中最高频率的2倍。不然就会产生混叠。所以为了避免混叠的发生,过高频率的信号通常会被过滤掉(低通滤波)。对于光线数据而言采样是多维的,所以相对而言会更复杂。当然滤波处理是必要的。由于相机拍摄的图片以及相机的位置都是离散化的,所以考虑到像素以及角度很难去选择合适的采样间隔。不过在这之前,我们必须考虑到两个标准,光源光强分布的梯度变化以及亮度图像的光流(optical Flow)[16]。   理论上来说相机测试的角度步进必须要足够小,所采集的数据才能完美地体现光源的强度分布。图14展示了两张LED的光强分布图,它们的扫描间隔都是0.75°X0.75°。如果间隔更大,测试结果就会偏差很多。 图片555
图14 有较大梯度的光强分布模型(带透镜的LED)   另一方面,很难去评估测试相机位置改变造成的亮度分布变化的情形,由于相机是在每一个不同的角度进行测试,所以每一张图片的测试结果可能差距很大也可能差距很小,取决于被测物的特性。当两张图片差距很大时,有些近场分布式光度计会通过插值来处理。这往往会增加测试错误。   然而,即使对于朗伯光源来说,可能仍然需要较小的步进进行测试。如果认为朗伯光源光强梯度变化很小,可以用5°x 5°的扫描间隔,但是如果光源本身带有透镜,或者是多芯片结构呢?这些光源虽然在远场光强分布上体现为近似朗伯光源,但是其近场特性仍然是很复杂的。要体现出这些光源的近场特性,使用较小的步进进行测试是十分重要的。   4.5.3光源的定位及个体差异   近场分布式光度计的测试是在一个固定的坐标系统里进行测试,在测试之前,需要将样品固定在这个坐标系统中,通过相机图像辅助,可以将样品与分布式光度计的坐标中心对应起来。如图12所示。可以用LED的芯片位置或者透镜位置等包含明确特征的点来作为参考点进行对准。对于中心定位及倾斜的不确定度主要受以下几个因素的影响: ※相机拍摄到的光源的边缘特征是否清晰(受景深和镜头影响)
※选择一个合适的照度值(通过辅助照明)
※样品透镜的清晰度
  另一方面就是要考虑被测物的个体差异,也就是生产过程中的公差,就LED而言,它的实际芯片位置与透镜的距离是与出规格书有一定偏差的。所以选择一个Gold Sample也是很重要的。   4.6 光源的外形及光线原点   分布式光度计的相机所得到的只是光源在不同方向的信息,也就是说光线的实际起始位置是未知的,但为了进行仿真,我们必须知道光线的起始位置,所以通常会使用光线轨迹追踪的方法反向追踪至一个虚拟的表面。这个表面可以是一个简单的几何形状(圆形,方形,圆柱形)也可以是复杂的3D-CAD模型。   使用光线轨迹追踪方法时,我们首先需要建立一个包含所有出射光线的虚拟表面,由于在给被测物建立坐标系时产生的误差以及在测试光线数据时的不确定度。应该要选择一块尽量大一点的区域,确保每一束发射光都与表面相交。尤其当被测物是复杂的3D模组时要更加谨慎。 图片666
图15 通过光线数据追踪到发光的起始点   现在我们可以把光线的起始点在虚拟表面上标记出来,它们距离光源都有一个“安全距离”。如果在测试时除了被测光源还有其它光源,那这个虚拟表面的建立就会出差错。对于RIGO801来说,它在追溯光线的时候还会判断光线与虚拟表面是否有相交点,如果没有就判断为杂散光,不加入计算。   举个例子,某知名LED制造商的一个四芯片LED产品,其规格书的描述信息如图16,可以看到其给出的光学中心位置,但对于光线的原点分布却没有任何信息。 图片777 图16 坐标中心点的位置   为了分析这个LED的光线原点分布,我们将光线的光通量投射到两个平面,一个是正上方,一个是侧面。图17就是这两个平面上的光通投射分布图像。从侧面光通分布图中可以看到光线的起始点分布比LED平面高了0.8mm,在做光学仿真的时候,有些情况下,必须把这种情况考虑进去。 图片888
图17 顶部视图(左)和侧面视图(右)情况下的光线投射光通分布,单位毫米   4.7 光源的辐射范围   如果没有光线数据的额外信息,我们无法判断哪些角度的光线被完全收集了,或者说我们是否采集了整个光源所有的光线。许多LED也会在+/-90°外辐射光线,所以我们必须在测试前考虑怎么去放置它,给它一个合适的测试位置。对于这类LED,我们可以通过模拟来明确发光的位置。   有些例子表明LED基板因具有反射特性也会被当作和LED光源的一部分。所以当我们测试的时候也要把基板考虑到测试中去。对于这类的测试,相机的视场必须足够大。保证能够覆盖整个LED的辐射范围。当选择虚拟表面的时候,必须把板子也考虑成光源的一部分。另一种可行的方法是选择一个较小的几何形状来把它们分开评估。 图片999
图18 LED放置于PCB版上时的亮度分布   如图所示,PCB板的亮度部分清晰可见,为了分析这部分的光线数据,我们可以先选择分析一个只包含LED的区域,然后再分析PCB板上的光学参数。图中PCB板的亮度占了总光通量的1.3%。   5、光强分布的测试   在研发照明产品的时候,光强分布测试对于产品的最终定型是必不可少,下面我们介绍一下目前使用较广泛的光强分布测试系统。   5.1远场分布式光度计   远场分布式光度计的光强测试方法是基于平方反比定理测照度值,再转换成光强值。 图片100   这种测试假定光源是点光源的情况下成立。如果光源过大,测试结果就会有误差。误差大小和光源本身大小,结构以及测试距离有关。各种不同类型的光源都有各自的测试标准及规范。照明灯具的测试距离通常是10米-30米。   用这种方法来测试光强分布,光度计必须能在很远的距离在每一个角度测得一个照度值,通常有以下几个可选择的方案。

  • 被测物进行自转,探测器静止,获得不同角度光强
  • 转镜式分布式光度计,被测物只在垂直轴方向转动
  • 探测器围绕被测物运动(测试距离较短情况下)
  5.2 近场分布式光度计   相较于测照度的远场分布式光度计,近场分布式光度计通过对光源亮度的测试来得到强度值。CIE70-1987 [19] 中提到了这个标准。基于这项技术的发展,TechnoTeam在1991年获得了相关专利,即基于成像相机的亮度积分技术的分布式光度计专利。测试原理就是基于光线数据和光线强度值的转换,同时获得了美国专利。   相较于远场,近场分布式光度计有以下几个优点: ※测试距离短,不需要非常大的测试空间
※不需要考虑远场条件
※光强分布于光源是否在光学中心无关
※对环境的杂散光不敏感
※光线数据可以适用于仿真模拟
※亮度图可以用于更复杂的分析工作(例如眩光分析)
  5.3通过墙壁间接测量   类似车灯及相关产品的测试,通过墙壁的间接测试方法已经被广泛运用。我们把被测物放置于离墙足够远的地方,通过相机拍摄光源打在墙上的亮度值,因为墙上各个点的反射率是已知的,所以最后可以通过计算得知被测光源的光强分布情况。它相较于远场的优点就是测试速度非常快,这一点在测试复杂的车灯时就显得非常重要。TechnoTeam对于这类测试有着丰富的经验,并且也可以提供和远场相结合的测试方案。 图片200
图19 针对车灯测试的测试暗室   5.4 结合IES LM-79-08 and CIE S 025   对于固态照明的测试,目前需要遵循的标准是IES LM-79-08和CIES 025 ,这些标准中提到了分布式光度计所需要满足的要求,但这还是不能满足所有的测试需求,或者说还需要额外的花费来满足测试。LM-79-08 标准中明确表明需要使用C型分布式光度计,这里的C型指的就是那些保持被测物位置不变,通过转动探测器来完成测试的光度计。虽然CIE S 025允许其它类型的分布式光度计但前提是必须保证光源的运动对于测试的结果的影响是较小的。   RIGO801同时满足这两个标准,它是典型的探测器围绕光源测试的C型分布式光度计,通过对于亮度的测试计算强度值符合CIE的测试标准。(CIE S 025, LM-79-09 → LM-46-04 / LM-41-98 / LM-20-94 / LM-75-01 → CIE121-1996 → CIE 70.1987).   6、眩光的评价   眩光的评价是十分复杂的,它受人体的心里和生理影响,在某些条件下可以被统计计算得出。   对于眩光的评价,主要就是基于光线进入眼睛的量的大小,即眼睛处的照度值。这个取决于光源的亮度值以及观看它的角度。当然只有这些还是不够的,光源亮度的具体分布也是十分重要的,所以在1995年定义了一个统一眩光值UGR的计算公式[25]。   通过这个公式,我们只要知道光源的亮度值,背景的亮度值以及它们的亮度分布情况就可以计算出眩光值。但这却不适用于小的光源或者结构复杂的光源,因为如果光源的亮度高,体积小,则公式中亮度的平方在计算后会产生较大的偏差,尤其像固态照明这类的产品。   这就意味着空间中光源的亮度分布对于眩光值的评价有着重要意义,CIE147对固态照明的眩光值测试有进一步的定义[27],通过对亮度图像的分析可以更准确地评估眩光值,当然随着标准的逐步统一,也会有更多的文献来专门探讨这个话题[28] [29]。   参考文献

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