球形光度計(jì)計(jì)量LED 總光通量的關(guān)鍵技術(shù)

趙偉強(qiáng)，劉 慧，劉 建，趙海粟

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100013；2.北京師范大學(xué)，北京 100875)

引言

球形光度計(jì)是測量LED產(chǎn)品光通量和光效的一種高效快速的設(shè)備，是目前用于LED光通量和光效檢測的最主要設(shè)備[1]。如何合理使用球形光度計(jì)獲得準(zhǔn)確的光通量值是測試人員普遍關(guān)心的問題。本文將討論球形光度計(jì)計(jì)量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

1 球形光度計(jì)原理

球形光度計(jì)是利用積分球測量光源總光通量的光度計(jì)，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。光源S放在積分球內(nèi)(常見位置是球中心位置的4π測量方式，或者球壁附近的2π測量方式)，光探頭D在球壁上貼著探測孔。該孔在球壁上，并放置有漫射器。若探頭D是光度探頭，其輸出電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成電壓，最后在讀數(shù)儀表R上顯示出來；若探頭D是光纖收集面，其采集光線后通過光纖連接光譜輻射計(jì)，根據(jù)測得的可見光區(qū)的光譜功率，利用光譜光視效率函數(shù)計(jì)算出總光通量。也存在兩者結(jié)合使用的情況，即同時(shí)使用光度探頭和光譜輻射計(jì)，利用光度探頭測量光通量，光譜輻射計(jì)測量光源的光譜功率分布。

圖1 球形光度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spherical photometer

積分球內(nèi)部是用白色漫反射材料均勻地涂布的，材料要求漫反射特性好，無光譜選擇性。設(shè)球壁的反射比為ρ，球半徑為R，光源S所發(fā)出的總光通量為φ。根據(jù)積分球理論，光源S在球壁上產(chǎn)生的反射照度為：

(1)

對(duì)于一個(gè)確定的積分球，R和ρ都是固定的。于是式(1)表示：由于積分球內(nèi)壁的多次漫反射作用，光源在球內(nèi)壁各點(diǎn)形成的間接照度值相等，且正比于光源的總光通量。圖1中，擋板B的作用是阻擋光源S直接照射到探頭D。若積分球內(nèi)去掉擋板B，從光源發(fā)出的光會(huì)直接照射到探頭D上，此時(shí)探頭D處位置的照度將依賴于光源在此方向上的發(fā)光強(qiáng)度。球內(nèi)壁上各點(diǎn)照度值不相等，將不正比于光源的總光通量。

根據(jù)式(1)我們可以通過比較被測燈和標(biāo)準(zhǔn)燈之間的光電讀數(shù)，測量出被測燈的總光通量為

(2)

式中:Rtest為被測燈的光電讀數(shù)；Rstd為標(biāo)準(zhǔn)燈的光電讀數(shù)；φstd為標(biāo)準(zhǔn)燈的總光通量值；C為光通量常數(shù)。

2 LED的特點(diǎn)

LED是新一代節(jié)能光源，具有高效能、長壽命、色彩豐富、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍大等特點(diǎn)，受到人們的高度關(guān)注，也是政府實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一種高科技產(chǎn)品[2]。相對(duì)于白熾燈，LED燈具有如下特點(diǎn)[3]：

(1)色溫和光譜差異大(見圖2)。典型的白光LED是通過藍(lán)光激發(fā)黃綠熒光粉，混光得到白光。

圖2 典型LED和白熾燈的發(fā)光光譜圖Fig.2 The spectra of typical LEDs and an incandescent lamp

該特點(diǎn)使得球形光度計(jì)測量時(shí)需進(jìn)行光譜光視效率函數(shù)失配修正。

(2)空間發(fā)光不均勻。個(gè)別類型LED發(fā)光方向性極強(qiáng)，空間發(fā)光強(qiáng)度分布曲線明顯區(qū)別于白熾燈。該特點(diǎn)使得球形光度計(jì)測量時(shí)需引入積分球空間響應(yīng)函數(shù)。

(3)受結(jié)溫度影響大。由于LED發(fā)光芯片依賴于PN結(jié)溫度，因而LED光通量受環(huán)境溫度、散熱條件以及預(yù)熱時(shí)間的影響。白熾燈只需要5分鐘左右即可以接近熱平衡，并且對(duì)環(huán)境溫度不敏感。該特點(diǎn)使得測量LED光通量需充分預(yù)熱并且保持規(guī)定的點(diǎn)燃姿態(tài)和環(huán)境溫度。

3 測量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

3.1 使用的標(biāo)準(zhǔn)燈量值可靠，其檢定或校準(zhǔn)證書在有效期之內(nèi)

目前國內(nèi)使用的標(biāo)準(zhǔn)燈是BDT、BDP型標(biāo)準(zhǔn)白熾燈，這些類型的標(biāo)準(zhǔn)燈量值穩(wěn)定可靠，可以準(zhǔn)確地定標(biāo)光通量讀數(shù)值。此外，使用高色溫的分布溫度標(biāo)準(zhǔn)燈光譜覆蓋可見光區(qū)，能有效定標(biāo)球形光度計(jì)中的輻射光譜儀。

3.2 良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及充足的預(yù)熱時(shí)間，改善LED的量值重復(fù)性

由于LED易受環(huán)境溫度影響，故需要潔凈的恒溫實(shí)驗(yàn)室條件。根據(jù)筆者日常測量LED光源的經(jīng)驗(yàn)，為達(dá)到熱平衡，LED單管預(yù)熱時(shí)間為5分鐘，LED燈泡等光源則需要0.5 小時(shí)至1小時(shí)。充分老化并經(jīng)挑選后的LED光源重復(fù)性可以達(dá)到0.5%。

3.3 良好的設(shè)備特性

為了使實(shí)際使用的積分球接近理想條件，積分球直徑在滿足光度探頭靈敏度要求的情形下應(yīng)盡可能地大。積分球內(nèi)涂層材料應(yīng)潔凈和均勻，反射率滿足CIE 84—1989的要求；內(nèi)部支架和夾具不得對(duì)燈形成遮擋，須噴上漫反射涂層且總體表面積盡量小。擋屏位置適當(dāng)，并保證被測光源不直接照射探測器的條件下，面積取最小值。光度探測器性能良好，其若是帶V(λ)修正的光度探頭，則要求f1′足夠小(實(shí)驗(yàn)室級(jí)別)；其若光度探測器是輻射光譜儀，則要求雜散光小，波長位置誤差小，動(dòng)態(tài)范圍大，線性良好。

3.4 光譜光視效率函數(shù)失配修正[4-5]

當(dāng)探測器是光度探頭，實(shí)際響應(yīng)度曲線與理想光譜光視效率函數(shù)V(λ)存在差異。此外，積分球內(nèi)部漫反射涂層和窗口處的毛玻璃對(duì)光譜反射比不是理想的平坦曲線。這些因素使得球形光度計(jì)的響應(yīng)曲線偏離V(λ)，帶來V(λ)失配誤差。可以通過下列計(jì)算估計(jì)測量偏差，并進(jìn)行失配修正：

(3)

舉例：若用BDP定標(biāo)某球形光度計(jì)，測量某白色LED燈，修正系數(shù)為 1.01；若是測量藍(lán)色LED，其系數(shù)可能有1.10，甚至更高。

3.5 積分球空間響應(yīng)函數(shù)修正[4-5]

當(dāng)被測LED和標(biāo)準(zhǔn)燈的歸一化光強(qiáng)空間分布曲線有明顯差異時(shí)，需特別注意該修正系數(shù)。由于球形光度計(jì)的內(nèi)部涂層不均勻以及內(nèi)部部件(如擋屏)的存在，光線照在積分球內(nèi)部球壁上不同區(qū)域最終在探測器上形成的照度值并不相等，即存在不均勻的積分球空間響應(yīng)分布函數(shù)(Spatial response distribution function，SRDF)：

(4)

其中:K(θ,φ)表示在積分球內(nèi)球心位置往(θ,φ)投射定量窄光束至球內(nèi)壁，經(jīng)多次漫反射后，探測器的讀數(shù)。一般可設(shè)定K(0,0)為單位1。

積分球空間響應(yīng)分布函數(shù)修正系數(shù)可寫為：

(5)

3.6 自吸收修正[4-5]

當(dāng)被測LED和標(biāo)準(zhǔn)燈的外形尺寸相差較大或者狀態(tài)明顯差異時(shí)，應(yīng)計(jì)算吸收修正因子。在積分球內(nèi)適當(dāng)位置(一般是球壁上)點(diǎn)燃一支發(fā)光穩(wěn)定輔助燈，并遮擋住其射向窗口和被測燈的直射光。在正常安裝光源的位置上放置一支標(biāo)準(zhǔn)燈，探測器讀數(shù)為Astd；取下標(biāo)準(zhǔn)燈，相同位置放置被測LED，探測器讀數(shù)為Atest，則吸收修正因子計(jì)算公式為：

(6)

3.7 使用LED量值傳遞參考燈，規(guī)避上述修正，使得測量過程簡單可靠[6]

如果被測燈和標(biāo)準(zhǔn)燈在總光通量、歸一化光強(qiáng)空間分布曲線、發(fā)光光譜等參量上彼此接近，那么上述三個(gè)修正系數(shù)均接近1，可以忽略。建議考慮選用系列量值穩(wěn)定的LED傳遞標(biāo)準(zhǔn)燈，直接應(yīng)用式(2)計(jì)算光通量值。

4 小結(jié)

一般情況下，若球型光度計(jì)滿足上述提及的硬件要求、操作員能保持積分球的潔凈以及注意被測燈和標(biāo)準(zhǔn)燈(或LED量值傳遞參考燈)光學(xué)特性接近的情況下，所測量的LED燈的總光通量結(jié)果誤差是完全可控的。被測燈和標(biāo)準(zhǔn)燈(或LED量值傳遞參考燈)的光譜、光強(qiáng)空間分布或者外形差異大時(shí)，需進(jìn)行相應(yīng)的修正，以減少測量不確定度。

致謝：感謝楊臣鑄研究員在球形光度計(jì)計(jì)量技術(shù)上的有益建議和無私幫助。

[1] 肖亮,張露妍. 基于VB的球形光度計(jì)光通量計(jì)量計(jì)算方法[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2013, 24(3)：34-36.

[2] 張?zhí)煲恚櫪?照明應(yīng)用中LED和OLED的比較及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013,24(6)：90-94.

[3] 俞安琪. LED照明產(chǎn)品檢測方法中的缺陷和改善的對(duì)策[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2010, 21(4):60-65.

[4] Miller C C, Zong Yuqin, Yoshihiro Ohno.LED photometric calibrations at the National Institute of Standards and Technology and future measurement needs of LEDs. Proc. of SPIE, 2004,5530：69-78.

[5] CIE. Measurement of LEDs[S].CIE，2007.

[6] LED單管校準(zhǔn)規(guī)范(報(bào)批稿).