浅议球形光度计计量LED总光通量的关键技术

浅议球形光度计计量 LED 总光通量的关键技术 赵伟强 1 刘慧1 刘建2 赵海粟1 1 中国计量科学研究院 2 北京师范大学 zhaowq 前言 球形光度计是用测量 LED 产品光通量和光效的一种高效快速的设备 常见于 涉及光度量值的计量机构 产品检测中心和企业质控部门 是目前用于 LED 光通 量和光效检测的最主要设备 如何合理使用球形光度计获得准确的光通量值是人 们普遍关心的问题 本文将尝试讨论球形光度计计量 LED 总光通量的关键技术要 点 1 球形光度计原理 球形光度计是利用积分球测量光源总光通量的光度计 基本结构见图 1 光 源 S 放在积分球内 常见位置是球中心或者球壁附近 光探头 D 在球壁上贴着 探测孔 该孔在球壁切面上放置有余弦修正器 若探头 D 是光度探头 其输出电 流经 I V 转换成电压再由放大器 A 进行信号放大 最后在读数仪表 R 上显示出来 若探头 D 是光收集器 其采集光线后通过光纤连接光谱辐射计 后者测量可见光 区的光谱功率 利用光谱光视效率函数计算出总光通量 图 1a 球形光度计 探测系统为光照度计 的结构示意图 图 1b 球形光度计 探测系统为光谱辐射计 的结构示意图 积分球内部是用白色漫反射材料均匀地涂布的 材料要求漫反射特性好 无 光谱选择性 设球壁的反射比为 球半径为R 光源 S 所发出的总光通量为 根据积分球理论 光源 S 在球壁上产生的反射照度为 1 2 41 EK R 对于一个确定的积分球 R和 都是固定的 于是上式表示 由于积分球内 壁的多次漫反射作用 光源在球壁所形成的反射照度值正比于光源的总光通量 图 1 中 挡板 B 的作用是阻挡光源 S 直接照射到探头 D 若积分球内去掉挡板 B 从光源发出的光会直接照射到探头 D 上 此时探头 D 处位置的照度将依赖于 光源在此方向上的发光强度 而不是正比于光源的总光通量 根据公式 1 我们可以通过比较被测灯和标准灯之间的光电读数 测量出被 测灯的总光通量为 2 teststd teststdtesttest stdstd R RC R RR 其中Rtest是被测灯的光电读数 Rstd是标准灯的光电读数 std是标准灯的 总光通量值 C 是光通量常数 2 LED 特点 LED 是新一代节能光源 具有高效能 长寿命 色彩丰富 动态调节范围大 等特点 受到人们的高度关注 也是政府实现节能减排的一种高科技产品 一般 认为 相对于传统的白炽灯 LED 灯具有如下特点 1 色温和光谱差异大 典型的白光 LED 是通过蓝光激发黄绿荧光粉 混光 得到白色 如下图 图 2 典型 LED 和白炽灯的发光光谱图 该特点使得球形光度计测量时需引入光谱光视效率函数失配修正 2 空间发光不均匀 个别类型 LED 发光方向性极强 空间发光强度分布曲 线明显区别于白炽灯 该特点使得球形光度计测量时需引入积分球空间响应函数 3 量值重复性差 由于 LED 发光芯片依赖于 PN 结温度 因而 LED 光通量受 环境温度 散热条件以及预热时间的影响 白炽灯只需要 5 分钟左右及可以接近 热平衡 并且对环境温度不敏感 该特点使得测量 LED 光通量需充分预热并且保 持相同的点燃姿态和环境温度 3 测量 LED 总光通量的关键技术要点 1 使用的标准灯量值可靠 其检定或校准证书在有效期之内 目前国内使用的标准灯是 BDT BDP 型标准白炽灯 这些类型的标准灯量值稳 定可靠 也存在一些替代性的卤素灯和白炽灯 这些灯经过老化考核和挑选后 也能作为量值传递的器具供使用 虽然其器具的可靠性未获确认 此外 白炽 灯光谱覆盖可见光区 能定标球形光度计中的辐射光谱仪 2 良好的实验室环境以及充足的预热时间 改善 LED 的量值重复性 由于 LED 易受环境温度影响 故需要干净的恒温实验室条件 根据笔者日常 测量 LED 光源的经验 为达到热平衡 LED 单管一般预热时间为 5 分钟 LED 灯 泡等光源则需要 1 小时 3 良好的设备特性 为了使实际使用的积分球接近理想条件 积分球直径在满足光度探头灵敏 度要求的情形下应尽可能地大 积分球内涂层材料应洁净和均匀 反射率在90 以 上 内部支架和夹具不得对灯形成遮挡 须喷上漫反射涂层且总体表面积小 挡板保证被测光源不直接照射探测器的条件下 面积取最小值 光度探测器性 能良好 其若是 带 V 修正的光度探头 则要求f1 足够小 实验室级别 其若光度探测器是辐射光谱仪 则要求杂散光小 波长位置误差小 动态范围大 线性良好 4 光谱光视效率函数失配修正 当探测器是光度探头 实际响应度曲线与理想光谱光视效率函数 V 存在 差异 此外 积分球内部漫反射涂层和窗口处的毛玻璃对波长反射比不是理想的 平坦曲线 这些因素使得球形光度计的响应曲线偏离 V 带来 V 失配误 差 可以通过下列计算估计测量偏差 并进行失配修正 3 780780 380380 780780 380380 d d d d teststd c stdtest PVPTS F PVPTV 其中等价光谱透射比 Ptest 为被测灯的相对光功率分布 1 T Pstd 为标准灯的相对光谱功率分布 S 是光度测量系统的相对光谱响应度 是积分球内壁的光谱漫反射比 是积分球窗口处的毛玻璃的光谱漫 透射比 举例 若用 BDP 定标球形光度计 测量某白色 LED 灯 修正系数 1 01 若是测量蓝色 LED 其系数可能有 1 10 甚至更高 5 积分球空间响应函数修正 当定标光源和被测光谱的发光光强空间分布曲线有明显差异时 需特别注意 该修正系数 由于球形光度计的内部涂层不均匀以及内部部件 如挡屏 的存在 光线照在积分球内部球壁上不同区域最终在探测器上形成的照度值并不相等 即 存在积分球空间响应分布函数 Spatial response distribution function SRDF 4 2 00 4 sin d d K K K 表示在积分球内球心位置往投射定量窄光束至球内壁 经多次漫反 K 射后 探测器的读数 一般可设定为单位 1 0 0 K 积分球空间响应分布函数修正系数可写为 5 2 00 2 00 sin d d sin d d test SRDF std IK F IK 及表示被测灯和标准灯的归一化光强空间分布曲线 从公 test I std I 式 5 可知 若积分球内部空间响应明显不均匀 如部分涂层发黄 底部积灰 挡光板面积大等因素 并且 LED 灯与标准灯的光强空间分布曲线差异明显 则 上述修正系数可能比较大 举例 若用 BDP 定标球形光度计 再测量某射灯 修 正系数可能高达 1 10 6 自吸收修正 当标准灯和被测 LED 的外形尺寸相差较大或者状态明显差异时 应计算吸收 修正因子 在积分球内适当位置 一般是球壁上 点燃一支发光稳定辅助灯 并 遮挡住其射向窗口和被测灯的直射光 在正常安装光源的位置上放置一支标准灯 探测器读数为Astd 取下标准灯 相同位置放置被测 LED 探测器读数为Atest 则吸收修正因子计算公式为 6 std abs test A F A 7 使用 LED 量值传递灯 规避上述修正 使得测量过程简单可靠 如果被测灯和定标用的标准灯在总光通量 发光强度分布曲线 发光光谱等 参量上彼此接近 那么上述三个修正系数均接近 1 可以忽略 建议考虑选用系 列量值稳定的 LED 灯 送至上级计量机构进行校准后 视作量值传递灯 直接应 用公式 2 计算光通量值