LED辐射通量测量技术的研究.doc

LED 辐射通量测量技术的研究刘慧1赵伟强1 刘建2 赵海粟11. 中国计量科学研究院 2. 北京师范大学1.概述国内外半导体照明呈井喷式飞速发展，随着LED制造工艺的成熟，其输出光效不断提高, 已经达到了120lm/W 以上，被广泛用于照明、信号指示和显示设备中。LED产业目前还处于初级发展阶段，由于缺少可靠的计量标准、正确的评价方法，市场上LED产品质量良莠不齐，市场秩序较为混乱，严重影响了用户信心。根据美国能源部(DOE)的前几轮商用LED产品评估和报告(CALiPER),美国LED产品光辐射性能标称值都与实际值严重不符，大部分都有较大的偏差，甚至有标称超出了实际值的3-4倍，通过近几年的标准体系的建立，情况虽已大为改善，但问题还依然存在。生产和使用者需要准确测量LED的各种光学参数，尤其是辐射通量更能完整地描述LED的特性。辐射通量（即辐射功率）是辐射源的重要的基本技术指标，也是评价一个辐射源优劣的主要标志之一。光谱辐射强度能描述光源在不同的空间方向的颜色特性，这对于光源的应用，以及灯具的设计具有重要意义。辐射通量能准确评价光源的能量转换效率，尤其对辐射通量随光谱变化剧烈的光源如LED光源。由于LED的准单色性，对于LED特性的评价过程中，采用光通量进行评价，测量结果的一致性差，对于蓝色和红色LED的质量控制过程中采用辐射通量更方便准确。目前普遍使用的积分球和光谱辐射测量系统的组合进行光通量和色度参数的同时测量，需要用光谱辐射通量标准灯对测量系统准确定标。因此开展光源的辐射通量的测试技术的研究，建立测量标准装置，复现辐射通量单位的量值，对促进我国LED产业的健康发展，具有十分重要的意义。2.原理方法辐射通量（radiant flux）或辐射功率（radiant power）是指辐射源以辐射的形式向空间发射、传输或接收的功率，该量的符号为，或者；单位为W。总辐射通量的测量方法有有两种: ( 1) 绝对法; ( 2) 相对法。绝对法是测量辐射源辐射强度的空间分布, 再由此计算出总辐射通量，或采用绝对积分球的方法。相对法是用以开展量值传递和常用的测量方法。该法通过被测辐射源（灯）与总辐射通量已知的标准灯相比较而求得被测灯的总辐射通量。与绝对法相比, 相对法结构简单, 价格低廉, 使用方便, 因此在测光领域里已被广泛使用。2.1 绝对测量方法第一种方法是使用变角辐射计进行测量，快速光谱辐射计与分布光度计配合使用构成变角辐射计（goniospectroradiometer），首先用光谱辐照度标准灯校准变角辐射计的相对光谱辐照度响应度（resonsivity），在不同的空间方位测量被测光源的相对光谱辐射强度，计算相对总光谱辐射通量，然后校准被测灯的总光通量，确定比例因子，以获得绝对总辐射通量及绝对光谱辐射通量；当然也可以直接用光谱辐照度标准灯定标光谱辐射计，在不同的空间位置测得光源的辐射强度，积分计算得到总辐射通量。第二种方法是使用配备了光谱辐射计和精密光阑的绝对积分球。光谱辐照度标准灯和一个精密光阑引入一束参考的辐射通量到积分球内，通过比较被测光源与参考辐射通量的信号，便可计算得到被测光源的辐射通量，同时还应考虑积分球的空间光谱响应的不均匀性及其他修正因子。光谱辐射计作为探测器较光谱响应平坦的光电探测器能得到更高的准确度，因为光谱响应平坦的探测器，其平坦性最好仅为5%，如果测量光谱响应不平坦的光源如LED光源和气体放电光源会引起较大的测量误差。但是光谱辐射计测量弱信号时，需要有较长的积分时间，采用变角辐射计测量时测量时间较长为使用光电探测器的时间的2-3倍。光谱辐射计已经广泛的用于光辐射测量过程中，可同时获得被测光源的光度、辐射度和颜色特性参数。NIST和 NPL均将分布光度计同快速光谱辐射计配合使用改造成变角辐射计用于辐射通量的测量。2.2 相对测量方法使用球形光度计通过被测辐射源（灯）与总辐射通量已知的标准灯相比较而求得被测灯的总辐射通量。同光通量的量传方法，但是应注意被测灯与标准灯的相对光谱功率分布尽量接近，否则应考虑对测量结果进行修正。3.实验装置和实验结果根据LED光源的特点，固态光源，光源旋转不影响发光的稳定性，我们设计了图1的卧式变角光度计，既保证了测量的精度又节约空间，同时与光轨配套使用可以很好的屏蔽杂散光。图中R为一水平转台，由步进电机驱动。转台转动的最小步进角不大于3，由14位的绝对编码器显示转过的角度。转动一周的时间为0.5min3min，可根据需要调节步进电机的转速。转台上有角度刻度，最小间隔为1。转台上安装被测灯自转机构。自转轴为一空心管，亦用步进电机驱动。自转轴尾端带有角度盘，刻线最小间隔为5，自转的步进值不大于30。垂直轴A与自转轴B应正交，两者的偏离不大于0.1mm，测量LED模块或小型灯罩时，在水平转台上的轴上可安装夹持机构随转台一起转动。图1. 变角辐射计用上述测量装置测量了OSHP LED-HW1 大功率LED的辐射通量，测量时采用等角度间隔法，水平轴的转动范围为（0-360）采样间隔为5，垂直轴（自转轴）的转动范围为（0-180）转动角度为15，测量的光谱范围为（380-780）nm。表 1 OSHP LED-HW1 测量结果灯号电流（mA）电压(V)辐射通量（W）(380-780)nm总光通量1*(lm)总光通量2*(lm)OSHP LED-HW13503.18810.4296999299781*为按光谱辐射通量计算得到的总光通量2*为按光通量测量方法测得的总光通量图2 OSHP LED-HW1 LED辐射强度空间分布图3 OSHP LED-HW1 LED光谱辐射通量4.与现有的光通量量值的比对由测量得到的光谱辐射通量根据下式可计算得到总光通量用图1的测量装置测量了溴钨灯和LED，由测量得到的光谱辐射通量计算得到光通量与按照原有的光通量测量方法测量得到总光通量的量值进行比较，测量结果的偏差小于0.9%，说明我们所复现的辐射通量的量值是可靠的。表 2 辐射通