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球形光度计计量LED总光通量的关键技术解析

来源: 时间:2021-09-09 08:53:42 浏览次数:

球式光度计是一种快速有效的 LED产品光通量和光效测量的装置,它涉及到 LED产品的光通量测量、产品检测和企业质量控制部门,是目前 LED光通量和光效检测的主要设备。
球式光度计是一种快速有效的 LED产品光通量和光效测量的装置,它涉及到 LED产品的光通量测量、产品检测和企业质量控制部门,是目前 LED光通量和光效检测的主要设备。怎样合理地利用球形光度计获得准确的光通量是人们普遍关注的问题。本论文试图探讨球型光度计测量 LED总光通量的技术要点。
圆球测光仪原理
球型光度计是一种用积分球测量光源总光通量的光度计,基本结构见图1。将光源 S放在积分球内(普通位置为球中心位置4π度,或球壁附近2π度测量),光探头 D在球壁上贴着探测孔。孔洞位于球壁上,并放置有散射器。探测器 D是光度探针,它的输出电流经 I/V转换成电压,后在读数仪 R上显示;若探头 D为光纤收集面,其采集光后通过光纤连接光谱辐射计,根据测得的可见光区域的光谱功率,利用光谱光视效率函数计算出总光通量。还有两种方法结合使用,即同时使用光度探头和光谱辐射计,用光度探头测量其通量,而光谱辐射计则测量其光谱功率分布。
1 a.球状光度计(以光计探测系统)结构示意图
1 b.球型光度计(探测系统为光谱辐射计)结构示意图
积球层内均采用白色漫反射材料进行涂布,材料要求漫反射特性好,无光谱选择性。光源 S发出的总光通量为φ,反射率为ρ,比球半径为 R。基于积分球理论,光源 S在球壁上产生的照度为
对一定的积分球, R和ρ是固定的。因此,上式表示,由于积分球内壁的多次漫反射,光源在球内壁上各点产生的间接照度值相等,并与光源的总光通量成正比。在图1中,挡板 B的作用是阻止光源 S直接照射到探测器 D。如果积分球内移除挡板 B,来自光源的光就会直接照射到探头 D上,此时探针 D位置的照度取决于光源在这个方向上的发光强度。球体内壁各点照度值不相等,且不与光源总光通量成正比。
依据(1)公式(1)通过比较灯号与标准灯号之间的光通量,可测量被测灯的总光通量。
其中 Rtest是标准灯的光电读数, Rstd是标准灯的光电读数,φ std是标准灯的总光通量值, C是光通量常数。
LED特性
发光二管是新一代节能光源,具有能、长寿命、色彩丰富、动态调节范围广等特点,是一种实现节能减排的高新技术产品。一般来说,与传统白炽灯相比, LED灯有以下几个特点:
1)色温谱差异较大。经典的白光 LED是由蓝光激发黄绿荧光粉,混光得到白色。下面是:
图片2.典型 LED和白炽灯的发光光谱
这一特性使球形光度计测量时,需要对光谱光视效率函数进行失配修正。
2)不均匀的空间发光。单个 LED具有强的指向性,空间发光强度分布曲线与白炽灯明显不同。这种特性使得球形光度计测量时需要引入积分球的空间响应函数。
3)结点温度影响较大。因为 LED的发光芯片依赖于 PN结的温度,所以 LED的光通量受到环境温度、散热条件和预热时间的影响。只需5分钟左右的白炽灯就能达到热平衡,而且对周围的温度不敏感。这种特性使测量 LED光通量需要充分预热,并能维持规定的点火姿态和环境温度。
LED总光通量测量关键技术要点
1)所使用的标准灯量值可靠,检定或校准证书在有效期内。
我国目前使用的标准灯是 BDT、 BDP型标准白炽灯,这几种灯量是稳定、可靠的,能地测量出通量数值。另外,采用分布温度标准的高色温标准光源覆盖可见光区域,可以有效地校准球形光度计中的辐射光谱。
2)良好的实验室环境和足够的预热时间,提高 LED的量值重复性。
因为 LED容易受到环境温度的影响,所以需要有洁净恒温的实验室条件。作者在日常 LED光源测试中,为达到热平衡, LED灯泡等光源的预热时间为5分钟,以0.5-1小时为宜。经过选择,完全老化后 LED光源的重复性可以达到0.5%以上。
3)设备性能优良。
为使实际所用的积分球接近理想状态,在满足光度探测灵敏度要求的情况下,积分球直径应尽可能大。积分球内涂层材料必须清洁、均匀,反射性满足 CIE 84-1989 The measurement of luminous flux的要求;内部支架和夹具不能在灯上形成遮挡,并且必须喷上漫反射涂层。隔板位置合适,并保证被测光源不直接照射探测器的情况下,取面积。光检测器性能良好,如果用 V (λ)修正的光度探头,则f1’必须足够小(实验室级);如果光度检测器是辐射光谱仪,其杂散光小,波长位置误差小,动态范围大,线性良好。
4)光谱视效率函数的失配修正。
在用光度探针检测时,其实际响应曲线与理想光谱的光视效率函数 V (λ)有差异。另外,积分球内部的漫射层和窗口上的毛玻璃对光谱的反射率并不是理想的平面曲线。上述因素使球形光度计的响应曲线偏离了 V (λ),带来了 V (λ)失配误差。可根据以下计算和不匹配修正测量误差来估计:
  其中
Ptest (λ)是被测光源的相对光功率分布, Pstd (λ)表示标准灯泡的相对光谱功率分布,而 S (λ)是积分球内壁的光谱漫反射比。举例来说,如果用 BDP来标定某一球形光度计,修正系数为1.01;若要测量蓝色 LED灯,则其系数可达1.10或更高。
5)整球空间响应函数修正。
在测试 LED与标准灯的正规化光强空间分布曲线有明显差异时,该修正系数需要特别注意。因为球形光度计的内部涂层不均匀和内部元件(例如挡屏)的存在,光照在积分球内球壁上不同区域的检测器所产生的照度值不相等,即积分球空间响应分布函数(Spatial response distribution function, SRDF):
K (θ,φ)表示在积分球内球心位置向(θ,φ)投射定量窄光束到球内壁,经过多次漫反射后,探测器的读数。通常可以将 K (0,0)作为单位1。
积分球的空间响应分布函数修正系数可以写为:
Itest (θ,φ)和 Istd (θ,φ)分别代表了被测 LED和标准灯的标准化光强空间分布曲线。由(5)公式可知,若积分球体内部空间响应明显不均匀(如部分涂层发黄、底部积灰、挡光板面积大等),且被测 LED灯与标准灯的光强空间分布曲线有明显差异。举个例子,如果用 BDP来标定一个球型光度计,再测量一个 LED射灯,修正系数可以达到1.10。
6)自吸收修正
检测到的 LED与标准灯的外形尺寸相差较大或状态有明显差异时,应计算吸收校正系数。将球内适当位置(一般在球壁上)点亮一个发光稳定的辅助灯,以阻挡它向窗口和被测灯发出的光线。将标准灯管放置在正常安装光源的位置,当检测器读数为 Astd时,取下标准灯位,将被测 LED置于同一位置,探测器读数为 Atest,则计算公式为:
7)基准灯采用 LED量值传递,避免上述修正,使测量过程简单可靠。
若用光源和标准光源的总光通量、归一化光强空间分布曲线、发光光谱等参数比较接近,则上述三种校正系数均接近1,可以忽略。推荐选用量值稳定的发光二管传输标准灯,直接应用公式(2)计算光通量。
概要
球形光度计符合上述各项硬件要求、操作者能保持积分球清洁、注意接近被测灯与标准灯(或 LED量值传递参考灯)光学特性接近的情况下,所测 LED灯的总光通量结果误差完全可控。当被测灯与标准灯(或发光二管传递参考灯)在光谱、光强空间分布或外形有较大差异时,应进行相应的修正,以降低测量不确定度。