LED 2π空間光通量測(cè)量方法及不確定度分析

來(lái) 磊，黃必勇，尹德金，劉 薇

（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203）

0 引 言

隨著半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管（LED）技術(shù)的不斷突破，加上LED具有耗電量低、高純度、多色彩、無(wú)污染、無(wú)輻射、快響應(yīng)、抗沖擊、定光束、色域?qū)挕⒌蜔崃康戎T多優(yōu)勢(shì)，使其被看做21世紀(jì)的新型光源，滿足人們對(duì)安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適、美觀等多方面的要求。對(duì)LED及在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上涉及的檢測(cè)儀器目前存在光學(xué)參數(shù)測(cè)試再現(xiàn)性差、測(cè)量不確定度大、不同測(cè)試裝置之間的測(cè)試結(jié)果一致性差等現(xiàn)象。究其原因，主要是缺乏LED光學(xué)參數(shù)測(cè)試方法和尚無(wú)與之對(duì)應(yīng)的計(jì)量裝置[1]。本文針對(duì)LED光通量測(cè)試方法及不確定度計(jì)算進(jìn)行探討。光通量是LED發(fā)光特性中最重要的參數(shù)之一，由于LED自身結(jié)構(gòu)及發(fā)光機(jī)理與傳統(tǒng)光源大不相同，其在4π空間發(fā)光強(qiáng)度分布是不均勻的，因此LED光通量的測(cè)量必須考慮發(fā)光不均勻的因素。LED的總光通量需要采用積分球或分布光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量[2]。圖1展示了一種CIE推薦采用的測(cè)量LED總光通量的空間幾何位置。圖1（a）所示的空間幾何位置適用于具有窄光束輪廓或者廣角發(fā)射和向后發(fā)射類型的LED。這種空間幾何位置能夠比放置在球壁上提供更好的空間均一性和響應(yīng)率，并且不易受到LED不同空間光強(qiáng)分布的影響[3-4]。此類LED測(cè)量中，被測(cè)LED被嵌入球壁進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量總光通量時(shí)這種方法是不合理的，因?yàn)橄蚝蟀l(fā)射的光通量損失掉了。圖1（b）這種幾何位置的優(yōu)點(diǎn)在于待測(cè)光源能夠很容易地被嵌在球壁上。需要注意的是5mm環(huán)氧樹脂封裝LED通常有大量的后向發(fā)射光，因此應(yīng)采用圖1（a）中的空間幾何位置。高能LED通常有較大的制冷器并且沒有向后發(fā)射光，因此可以采用圖1（b）中的空間幾何位置，將LED發(fā)光端嵌入球壁中，而制冷器放置在球外[5]。

無(wú)論采用哪種空間幾何位置，建議LED測(cè)量中采用直徑為20～50 cm的積分球。積分球越大，空間分布不均勻性造成的誤差越?。ㄔ蛟谟诜e分球內(nèi)部采用的遮光板相對(duì)面積變小），而自吸收的靈敏度越低，但是測(cè)量到信號(hào)的強(qiáng)度同樣會(huì)降低。本文采用的是直徑為50 cm積分球，如圖2所示的光譜光度計(jì)測(cè)量LED向前方光通量（2π空間光通量）。

1 測(cè)量方法

將LED嵌在積分球的一壁來(lái)測(cè)量其向前2π空間光通量。可控溫LED的支架阻擋了其向后方向的輻射，對(duì)于這種LED，總光通量和向前方光通量相同的情況。本文介紹2π空間光譜通量及總光通量的測(cè)試方法，以下步驟適用于LED嵌在積分球一壁的情況[6]。

圖1 LED總光通量測(cè)量推薦空間幾何位置

圖2 一種采用光譜光度計(jì)測(cè)量2π空間光通量的幾何條件

（1）將可溯源至NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)的標(biāo)準(zhǔn)燈放置在相對(duì)1 cm2小孔的正確位置上，可以準(zhǔn)確得到小孔位置的光譜輻照度。精確施加光源所需的電流，預(yù)熱穩(wěn)定一段時(shí)間后，對(duì)發(fā)光強(qiáng)度和波長(zhǎng)進(jìn)行20次測(cè)量。

（2）關(guān)掉標(biāo)準(zhǔn)燈，打開安裝在球內(nèi)的輔助燈，預(yù)熱和穩(wěn)定一段時(shí)間后，對(duì)光強(qiáng)和波長(zhǎng)進(jìn)行20次測(cè)量。

（3）將標(biāo)準(zhǔn)燈和精確小孔移開，把被測(cè)LED放在積分球入口處。保持輔助燈的工作狀態(tài)，對(duì)光強(qiáng)和波長(zhǎng)進(jìn)行20次測(cè)量。

（4）關(guān)掉輔助燈，精確施加LED工作所需的電流，預(yù)熱穩(wěn)定后，對(duì)光強(qiáng)和波長(zhǎng)進(jìn)行20次測(cè)量。

（5）將LED的支架旋轉(zhuǎn)90°，對(duì)光強(qiáng)和波長(zhǎng)進(jìn)行20次測(cè)量。

（6）在 180°和 270°重復(fù)步驟（3）。

在第（2）、（3）條中采用的輔助燈用于補(bǔ)償積分球和LED相互作用引入的誤差。在積分球內(nèi)部或者相對(duì)于光線入射口的物體都會(huì)產(chǎn)生反射光。并且由于球內(nèi)部都是多重反射，積分球內(nèi)部物體對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響與物體本身的大小不成比例。所以要獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，對(duì)積分球和LED相互作用引入的誤差進(jìn)行補(bǔ)償非常重要[7]。

2 不確定度分析

2.1 LED總光通量測(cè)試數(shù)據(jù)

采用可溯源至NIST的標(biāo)準(zhǔn)燈按照以上方法進(jìn)行驗(yàn)證。表1是本實(shí)驗(yàn)室提供的LED總光通量測(cè)試數(shù)據(jù)。

測(cè)量結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)LED對(duì)于測(cè)試帶來(lái)的影響并不大，這反映出LED本身的強(qiáng)度有可能發(fā)生緩慢的變化。

2.2 LED總光通量不確定度

數(shù)學(xué)模型

式中：Km=683 lm/W

詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程本文不再贅述[8]，將計(jì)算結(jié)果列于表2。

從測(cè)量結(jié)果中看出，周期間存在細(xì)微漂移，這表明被測(cè)對(duì)象可能存在細(xì)微漸進(jìn)變化。LED支架的旋轉(zhuǎn)表明了其機(jī)械位置的變化，而周期間的變化表明了系統(tǒng)的重復(fù)性。在不確定度分析結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)測(cè)量不確定度帶來(lái)影響的主要因素包括：可溯源至NIST的發(fā)光標(biāo)準(zhǔn)本身的不確定度、發(fā)光標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到工作標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)節(jié)和測(cè)量系統(tǒng)的波長(zhǎng)準(zhǔn)確性等。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)，一種常用的驗(yàn)證方法是采用可溯源的已校準(zhǔn)LED提供絕對(duì)刻度，來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性。

表1 重復(fù)6次得到的總光通量（TFL）結(jié)果

表2 重復(fù)6次得到的TFL不確定度

3 結(jié)束語(yǔ)

采用科學(xué)的測(cè)量方法和適當(dāng)?shù)臏y(cè)量程序可以降低不確定度。更重要的是，不確定度可以被量化和計(jì)算。測(cè)量步驟的變化可能會(huì)影響到不確定度，特別是在步驟上不同方式溯源至上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可能帶來(lái)不同的不確定度。如果用NIST或NIM(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院)提供的無(wú)后向發(fā)射光的標(biāo)準(zhǔn)LED，那么測(cè)量將變得較為簡(jiǎn)單，但是不確定度會(huì)相應(yīng)增大。

[1]CIE127—2007 LED測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)[S].國(guó)際照明學(xué)會(huì)，2007.

[2]呂正.NIST的LED光通量測(cè)量[J].中國(guó)照明電器，2006（5）：22-24.

[3]呂正.LED光通量測(cè)量中的自吸收效應(yīng)及校正[J].照明工程學(xué)報(bào)，2006，17（2）：16-17，32.

[4]呂正.著眼于國(guó)際比對(duì)的LED國(guó)家光學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立[J].中國(guó)照明電器，2008（1）：30-34.

[5]李文宜，張萬(wàn)路，袁川，等.測(cè)量LED總光通量的積分球裝置中光源位置的探討[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（3）：356-359，365.

[6]周小麗，劉木清，錢勇，等.LED光通量測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].光電子·激光，2008，19（6）：728-730.

[7]潘建根，沈海平，馮華君.光譜校正積分光度法測(cè)量藍(lán)光LED 光通量[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27（5）：932-936.

[8]吳寶寧.LED光學(xué)參數(shù)測(cè)試方法研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2007，28（7）：513-516.