球式光度計(jì)是一種快速有效的 LED產(chǎn)品光通量和光效測量的裝置，它涉及到 LED產(chǎn)品的光通量測量、產(chǎn)品檢測和企業(yè)質(zhì)量控制部門，是目前 LED光通量和光效檢測的主要設(shè)備。怎樣合理地利用球形光度計(jì)獲得準(zhǔn)確的光通量是人們普遍關(guān)注的問題。本論文試圖探討球型光度計(jì)測量 LED總光通量的技術(shù)要點(diǎn)。

  圓球測光儀原理

  球型光度計(jì)是一種用積分球測量光源總光通量的光度計(jì)，基本結(jié)構(gòu)見圖1。將光源 S放在積分球內(nèi)(普通位置為球中心位置4π度，或球壁附近2π度測量)，光探頭 D在球壁上貼著探測孔。孔洞位于球壁上，并放置有散射器。探測器 D是光度探針，它的輸出電流經(jīng) I/V轉(zhuǎn)換成電壓，后在讀數(shù)儀 R上顯示;若探頭 D為光纖收集面，其采集光后通過光纖連接光譜輻射計(jì)，根據(jù)測得的可見光區(qū)域的光譜功率，利用光譜光視效率函數(shù)計(jì)算出總光通量。還有兩種方法結(jié)合使用，即同時(shí)使用光度探頭和光譜輻射計(jì)，用光度探頭測量其通量，而光譜輻射計(jì)則測量其光譜功率分布。

  1a、球狀光度計(jì)(以光計(jì)探測系統(tǒng))結(jié)構(gòu)示意圖

  1b、球型光度計(jì)(探測系統(tǒng)為光譜輻射計(jì))結(jié)構(gòu)示意圖

  積球?qū)觾?nèi)均采用白色漫反射材料進(jìn)行涂布，材料要求漫反射特性好，無光譜選擇性。光源 S發(fā)出的總光通量為φ，反射率為ρ，比球半徑為 R?；诜e分球理論，光源S在球壁上產(chǎn)生的照度對(duì)一定的積分球， R和ρ是固定的。因此，上式表示，由于積分球內(nèi)壁的多次漫反射，光源在球內(nèi)壁上各點(diǎn)產(chǎn)生的間接照度值相等，并與光源的總光通量成正比。在圖1中，擋板 B的作用是阻止光源 S直接照射到探測器 D。如果積分球內(nèi)移除擋板 B，來自光源的光就會(huì)直接照射到探頭 D上，此時(shí)探針 D位置的照度取決于光源在這個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度。球體內(nèi)壁各點(diǎn)照度值不相等，且不與光源總光通量成正比。

  依據(jù)(1)公式(1)通過比較燈號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)燈號(hào)之間的光通量，可測量被測燈的總光通量。

  其中 Rtest是標(biāo)準(zhǔn)燈的光電讀數(shù)， Rstd是標(biāo)準(zhǔn)燈的光電讀數(shù)，φ std是標(biāo)準(zhǔn)燈的總光通量值， C是光通量常數(shù)。

  LED特性

  發(fā)光二管是新一代節(jié)能光源，具有能、長壽命、色彩豐富、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍廣等特點(diǎn)，是一種實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的高新技術(shù)產(chǎn)品。一般來說，與傳統(tǒng)白熾燈相比， LED燈有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

  (1)色溫譜差異較大。經(jīng)典的白光 LED是由藍(lán)光激發(fā)黃綠熒光粉，混光得到白色。典型 LED和白熾燈的發(fā)光光譜這一特性使球形光度計(jì)測量時(shí)，需要對(duì)光譜光視效率函數(shù)進(jìn)行失配修正。

  (2)不均勻的空間發(fā)光。單個(gè) LED具有強(qiáng)的指向性，空間發(fā)光強(qiáng)度分布曲線與白熾燈明顯不同。這種特性使得球形光度計(jì)測量時(shí)需要引入積分球的空間響應(yīng)函數(shù)。

  (3)結(jié)點(diǎn)溫度影響較大。因?yàn)?LED的發(fā)光芯片依賴于 PN結(jié)的溫度，所以 LED的光通量受到環(huán)境溫度、散熱條件和預(yù)熱時(shí)間的影響。只需5分鐘左右的白熾燈就能達(dá)到熱平衡，而且對(duì)周圍的溫度不敏感。這種特性使測量 LED光通量需要充分預(yù)熱，并能維持規(guī)定的點(diǎn)火姿態(tài)和環(huán)境溫度。

  LED總光通量測量關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

  (1)所使用的標(biāo)準(zhǔn)燈量值可靠，檢定或校準(zhǔn)證書在有效期內(nèi)。

  我國目前使用的標(biāo)準(zhǔn)燈是 BDT、 BDP型標(biāo)準(zhǔn)白熾燈，這幾種燈量是穩(wěn)定、可靠的，能地測量出通量數(shù)值。另外，采用分布溫度標(biāo)準(zhǔn)的高色溫標(biāo)準(zhǔn)光源覆蓋可見光區(qū)域，可以有效地校準(zhǔn)球形光度計(jì)中的輻射光譜。

  (2)良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和足夠的預(yù)熱時(shí)間，提高 LED的量值重復(fù)性。

  因?yàn)?LED容易受到環(huán)境溫度的影響，所以需要有潔凈恒溫的實(shí)驗(yàn)室條件。作者在日常 LED光源測試中，為達(dá)到熱平衡， LED燈泡等光源的預(yù)熱時(shí)間為5分鐘，以0.5-1小時(shí)為宜。經(jīng)過選擇，完全老化后 LED光源的重復(fù)性可以達(dá)到0.5%以上。

  (3)設(shè)備性能優(yōu)良。

  為使實(shí)際所用的積分球接近理想狀態(tài)，在滿足光度探測靈敏度要求的情況下，積分球直徑應(yīng)盡可能大。積分球內(nèi)涂層材料必須清潔、均勻，反射性滿足 CIE 84-1989 The measurement of luminous flux的要求;內(nèi)部支架和夾具不能在燈上形成遮擋，并且必須噴上漫反射涂層。隔板位置合適，并保證被測光源不直接照射探測器的情況下，取面積。光檢測器性能良好，如果用 V (λ)修正的光度探頭，則f1’必須足夠小(實(shí)驗(yàn)室級(jí));如果光度檢測器是輻射光譜儀，其雜散光小，波長位置誤差小，動(dòng)態(tài)范圍大，線性良好。

  (4)光譜視效率函數(shù)的失配修正。

  在用光度探針檢測時(shí)，其實(shí)際響應(yīng)曲線與理想光譜的光視效率函數(shù) V (λ)有差異。另外，積分球內(nèi)部的漫射層和窗口上的毛玻璃對(duì)光譜的反射率并不是理想的平面曲線。上述因素使球形光度計(jì)的響應(yīng)曲線偏離了 V (λ)，帶來了 V (λ)失配誤差?？筛鶕?jù)以下計(jì)算和不匹配修正測量誤差來估計(jì)：

  其中Ptest (λ)是被測光源的相對(duì)光功率分布， Pstd (λ)表示標(biāo)準(zhǔn)燈泡的相對(duì)光譜功率分布，而 S (λ)是積分球內(nèi)壁的光譜漫反射比。舉例來說，如果用 BDP來標(biāo)定某一球形光度計(jì)，修正系數(shù)為1.01;若要測量藍(lán)色 LED燈，則其系數(shù)可達(dá)1.10或更高。

  (5)整球空間響應(yīng)函數(shù)修正。

  在測試 LED與標(biāo)準(zhǔn)燈的正規(guī)化光強(qiáng)空間分布曲線有明顯差異時(shí)，該修正系數(shù)需要特別注意。因?yàn)榍蛐喂舛扔?jì)的內(nèi)部涂層不均勻和內(nèi)部元件(例如擋屏)的存在，光照在積分球內(nèi)球壁上不同區(qū)域的檢測器所產(chǎn)生的照度值不相等，即積分球空間響應(yīng)分布函數(shù)(Spatial response distribution function, SRDF)：

  K (θ，φ)表示在積分球內(nèi)球心位置向(θ，φ)投射定量窄光束到球內(nèi)壁，經(jīng)過多次漫反射后，探測器的讀數(shù)。通?？梢詫?K (0,0)作為單位1。

  積分球的空間響應(yīng)分布函數(shù)修正系數(shù)可以寫為：

  Itest (θ，φ)和 Istd (θ，φ)分別代表了被測 LED和標(biāo)準(zhǔn)燈的標(biāo)準(zhǔn)化光強(qiáng)空間分布曲線。由(5)公式可知，若積分球體內(nèi)部空間響應(yīng)明顯不均勻(如部分涂層發(fā)黃、底部積灰、擋光板面積大等)，且被測 LED燈與標(biāo)準(zhǔn)燈的光強(qiáng)空間分布曲線有明顯差異。舉個(gè)例子，如果用 BDP來標(biāo)定一個(gè)球型光度計(jì)，再測量一個(gè) LED射燈，修正系數(shù)可以達(dá)到1.10。

  (6)自吸收修正

  檢測到的 LED與標(biāo)準(zhǔn)燈的外形尺寸相差較大或狀態(tài)有明顯差異時(shí)，應(yīng)計(jì)算吸收校正系數(shù)。將球內(nèi)適當(dāng)位置(一般在球壁上)點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光穩(wěn)定的輔助燈，以阻擋它向窗口和被測燈發(fā)出的光線。將標(biāo)準(zhǔn)燈管放置在正常安裝光源的位置，當(dāng)檢測器讀數(shù)為 Astd時(shí)，取下標(biāo)準(zhǔn)燈位，將被測 LED置于同一位置，探測器讀數(shù)為 Atest，則計(jì)算公式為：

  (7)基準(zhǔn)燈采用 LED量值傳遞，避免上述修正，使測量過程簡單可靠。

  若用光源和標(biāo)準(zhǔn)光源的總光通量、歸一化光強(qiáng)空間分布曲線、發(fā)光光譜等參數(shù)比較接近，則上述三種校正系數(shù)均接近1，可以忽略。推薦選用量值穩(wěn)定的發(fā)光二管傳輸標(biāo)準(zhǔn)燈，直接應(yīng)用公式(2)計(jì)算光通量。

  概要

  球形光度計(jì)符合上述各項(xiàng)硬件要求、操作者能保持積分球清潔、注意接近被測燈與標(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 LED燈的總光通量結(jié)果誤差完全可控。當(dāng)被測燈與標(biāo)準(zhǔn)燈(或發(fā)光二管傳遞參考燈)在光譜、光強(qiáng)空間分布或外形有較大差異時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修正，以降低測量不確定度。