LED发光强度空间分布特性测试方法及系统的研究

浙江大学 硕士学位论文 LED发光强度空间分布特性测试方法及系统的研究 姓名：徐芙姗 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：徐海松 20060501 浙江大学硕士学位论文Y S ? ? 0 6 0 摘要 L E D 光源现今已经广泛应用于照明领域和信息技术领域，而且有希望成为未来最主 要的光源之一。随着L E D 产业的快速增长，L E D 的光度测量仍然是一个值得探讨的问 题。 本论文基于相关光度学理论，通过对现有测量L E D 光度特性的各种方法和标准的 研究，针对L E D 本身作为光源所特有的结构和光学特性，提出了L E D 发光强度空间分 布特性的测量方法及其系统设计方案，讨论了相关的测试条件，确定了测试步骤，并且 分析了影响测量结果精度的可能因素。 在硬件设计方面，系统采用A T 8 9 C 5 2 单片机系统，设计了采样通道的光电转换及 信号放大电路，采用1 6 位高速A D 芯片来保证信号采样的精度和响应速度，并通过 R S 一2 3 2 串行通讯接口实现与上位P C 机的数据通讯；同时，P C 机控制单片机系统驱动 步进电机，完成整个光度测量过程。 系统软件的设计包括单片机系统软件和P C 机系统软件两个部分。单片机程序由步 进电机驱动控制、光电信号采样、测试数据通讯传送等几个功能模块组成，都由P C 机 客户端程序来决定所需执行操作；P C 机程序通过串口通讯指挥单片机控制步进电机的 转动以实现L E D 的光度测量和光度定标，并对测得的数据进行处理，在用户界面上显 示最大光强、偏差角、光束发散角等相关光度参数以及发光强度空间分布曲线等测试结 果。 在完成设计和功能调试的基础上，对本系统的光度测试性能进行了一系列的实验评 价。通过对一些典型L E D 样品的测试，获得不同品种的L E D 在各种不同条件下发光强 度空间分布曲线以及相关光度参数等大量实验结果。数据分析表明，本系统的测量精度 都在标准的要求之内，具有良好的可靠性和稳定性，验证了系统的测试技术指标和实用 性能。最后，在总结本论文研究工作的基础上，对设计方案中可能的改进方向进行了展 望。 关键诃；光度学，发光二极管，发光强度空间分布曲线，偏差角，半强度角，光束发散 角 浙江大学硕士学位论文 A B S T R A C T L E D ( 1 i g h te m i t t e dd i o d e ) i sn o ww i d e l yu s e di I lt h ef i e l do fi l l u m i n a t i n ge n g i n e e r i n ga s w e l la si n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n di se x p e c t e dt ob eo n eo ft h eu p p e r m o s tl i g h ts o u r c e si n t h ef u t u r e D e s p i t eo ft h ew i d ea n d r a p i d l yg r o w i n ga p p l i c a t i o no fL E D ，t h er e l i a b l em e t h o d f o ri t sp h o t o m e t r i cm e a s u r e m e n ti sw o r t hw h i l et ob er e s e a r c h e d B a s e do nt h ep h o t o m e t r y ，t h er e l a t e dm e t h o d sa n ds t a n d a r d so fL E D Sp h o t o m e t r i ct e s t a r es t u d i e d ，as y s t e ms c h e m ei sp r e s e n t e df o rm e a s u r i n gt h el u m i n o u si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fL E D ，w h i c hs t r u c t u r ea n do p t i c a lc h a r a c t e r sa r ec o n s i d e r e d I na d d i t i o n ， t h et e s tc o n d i t i o n ，o p e r a t i o np r o c e d u r e s ，a n dt h em e a s u r e m e n t u n c e r t a i n t ya 托d i s c u s s e d F o rt h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，t h es i n g l e - c h i pc o m p u t e ro fA T 8 9 C 5 2i sa d o p t e da st h e M C U ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) ，a n dt h ep h o t o e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o na n ds i g n a la m p l i f i c a t i o n c i r c u i ta r ed e s i g n & tf o rt h es a m p l i n gc h a n n e l Ah i g h s p e e d1 6 b i tA Dc o n v e r t e ri su s e dt o e n s u r et h ep r e c i s i o na n dr e s p o n d e n tr a t e ，w h i l et h ed a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hP C ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) i sr e a l i z e dv i aR S 一2 3 2s e r i a lp o r t M e a n w h i l e ，t h eP Cc o n t r o l st h eM C Ut od r i v e t h es t e p m o t o rt oi m p l e m e n tt h ew h o l em e a s u r e m e n tp r o c e s s T h e s y s t e ms o f t w a r ei sc o m p r i s e db yt h eM C Up r o g r a ma n dt h eP Cp r o g r a m T h eM C U s y s t e ms o f t w a r ei n c l u d e st h em o d u l e so fs t e p m o t o rd r i v e r ，s i g n a ls a m p l i n g ，a n dd a t a c o m m u n i c a t i o n ，a l lo fw h i c ha r ec o n t r o l l e db yt h eP C T h eP Cd i r e c t st h er o t a t i o no ft h e s t e p m o t o r , b ym e a n so fR S - 2 3 2 ，t oi m p l e m e n tt h ep h o t o m e t r i cm e a s u r e m e n ta n di t s c a l i b r a t i o no ft h eL E D T h e nt h ed a t ap r o c e s s i n gi sp e r f o r m e d ，a n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t s a r ed i s p l a y e do nt h eu s e ri n t e r f a c eo fP C ，i n c l u d i n gt h ep h o t o m e t r i cp a r a m e t e r ss u c h 船t h e m a x i m a ll u m i n o u s ，m i s a l i g n m e n t a n g l e ，s p r e a da n g l eo fl i g h tb e a ma n dt h es p a t i a l d i s t r i b u t i o nc u r v ef o rt h el u m i n o u si n t e n s i t yo ft h eL E D As e r i e so fe x p e f i m e n t sa r ec a r r i e do u tt oe v a l u a t et h ep h o t o m e t r i cm e a S u r e m e n t p e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e m T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h et y p i c a lL E D ss h o wt h a tt h e m e a S u r e m e n tm e e t st h es p e c i f i c a t i o no fr e l a t e ds t a n d a r d ，t h ep e r f o r m a n c ei sr e l i a b l ea n d s t a b l e ，t h e r e b yt h es y s t e mi sa p p l i c a b l et oi n d u s t r y F i n a l l y , t h ea s p e c t so ft h i ss t u d ya r e s u m m a r i z e d ，a n dt h ep o s s i b l ei m p r o v e m e n t si nt h i ss c h e m ea r ep r o p o s e d K e yw o r d s ：p h o t o m e t r y , l i g h te m i t t e dd i o d e ( L E D ) ，s p a t i a ld i s t r i b u t i o nc u r v eo fl u m i n o u s i n t e n s i t y , m i s a l i g n m e n ta n g l e ，h a l f - i n t e n s i t ya n g l e ，s p r e a da n g l eo ff i g h tb e a m 。 I I 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 发光二极管( L E D ：L i g h tE m i t t i n gD i o d e ) 是一种电致发光的半导体发光器件， 属于冷光源，过去常规的L E D 多为红、橙、黄、绿光，只能在产品上充当指示信号灯。 随着光电技术及材料科学的发展，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，欧美及日 本等国成立了专门的L E D 研究机构，L E D 也向高亮度 2 1 、全彩化、显示大型化的方向 发展，而且L E D 的发光效率正在逐步提高。随着对紫光、紫外、臼光L E D 研究的深入， L E D 将有可能成为2 1 世纪最有前途的光源。 1 1 1L E D 的特点和分类 大多数L E D 的工作电为1 5 V 4 V 、耗电少( 1 0 m A 以下即可在室内得到适当的亮 度) ，可通过调节电流( 或电压) 来对发光亮度进行调节，且响应速度快，并可直流驱 动；L E D 比普通光源的单色性好；发光亮度和发光效率均较高，容易与集成电路配台使 用，体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿命长。 如今L E D 已经广泛应用于仪器仪表、交通照明如城市交通、铁路、公路、机场、 安全警示灯等日常生活领域和科学研究领域。由于L E D 结构简单，安装灵活方便，能 够满足车灯美观大方的要求，因此越来越受到车灯厂商的青睐，在我国汽车工业高速发 展的带动F ，汽车领域对高亮度L E D 的需求量预计到2 0 1 0 年将会达到6 5 亿颗左右； 而功率型白光L E D 则作为专用照明光源，也广泛应用于汽车和飞机内的阅读灯4 1 、建筑 物装饰光源、舞台灯光、城市夜景以及便携式照明光源如钥匙灯、手电筒、背光源及矿 工灯等各个生活及工业领域6 。 根据L E D 的发光颜色、出光面特征、结构、发光强度和工作电流等参数的不同 发光二极管可有多种分类方法。 ( 1 ) 按发光管发光颜色分类 L E D 按其发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色( 又细分黄绿、标准绿和纯绿) 、蓝 光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片一1 。 浙江大学硕士学位论文 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极 管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管适 合做指示灯用。 ( 2 ) 按出光面特征分类 按出光面特征分，L E D 可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用 微型管等。圆形灯按直径分为中2 m m 、巾4 4 m m 、中5 m m 、巾8 m m 、由1 0 m m 及巾2 0 m m 等。国外通常把咖3 m m 的发光二极管记作T - 1 ；把巾5 m m 的记作T q ( 3 4 ) ；把中4 4 m m 的记作T - l ( 1 4 ) 。 L E D 的半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况，所以从发光强度角分布图来 分可以将L E D 分为三类： a ) 高指向型。般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半 值角为5 。2 0 。或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用 以组成自动检测系统。 b ) 标准型。通常作指示灯用，其半值角为2 0 。4 5 0 。 C ) 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4 5 。9 0 。或更大，散射剂的量较大。 ( 3 ) 按结构分类 按照发光二极管的结构分类，有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封 装及玻璃封装等结构。 ( 4 ) 按发光强度和工作电流分类 按发光强度和：I ：作电流的不同，L E D 可以分为普通亮度( 发光强度 1 0 0 m c d ) 等类型。 一般L E D 的工作电流在十几m A 至几十m A ，而低电流L E D 的工作电流在2 m A 以 下( 亮度与普通发光管相同) 。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类等其他方法。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2L E D 测试标准及检测技术研究现状 由于L E D 的特殊性，无论在尺寸、光通量水平、光谱和空间强度分布方面都与通 常所谓的“灯”非常不同【8 】。因此，把光度量从传统的发光强度标准( 标准灯) 传递到L E D 并不是一件简单的事情，它包含羞很多的不确定性。L E D 输出的光和辐射与芯片温度有 关的特性，以及光学设计上的巨大差异，甚至使得L E D 的测量难于重现。 为了解决这些问题，1 9 9 7 年1 0 月2 2 2 5 日，C I ET C 2 3 4 小组在维也纳总部召开会 议，制定并推荐了C I E l 2 7 1 9 9 7 “M e a s u r e m e n t o f L E D s ”发光二极管的测量) ”【9 】，它涉 及L E D 辐射度、光度和色度的测量。但是，会议在涉及工业测量方法时存在分歧，而 且L E D 的技术发展迅速，尤其是对照明用自光L E D 产品来说，许多问题是过去所未考 虑到的，需要有新的技术、知识和实践，于是决定由T C 2 - 4 5 小组继续完善和修订 C 一1 2 7 。 在国内，近几年L E D 的检测仪器发展也非常迅速，逐步研发成功了从L E D 芯片、 发光材料、L E D 管、L E D 灯和灯具等产业的各个环节的检测仪器，包括实验室研发用 的检测仪器、生产线上的自动检测和分选设备以及产品的品质检验用仪器，测量指标包 括光谱、光度、色度、辐射、电参数、热阻、可靠性和寿命等参数1 0 】。 L E D 照明器具是高技术、高附加值产品，我国以往对L E D 照明的研究还很薄弱， 与国外水平相差很大，特别是在应用基础方面的研究还不能满足我国产业发展的需求。 我国在L E D 照明产品检测技术和产品标准方面远远不能适应国内L E D 照明工业发 展的要求。我国L E D 照明的发展，首先应当建立和健全我国L E D 照明器具的技术标 准和测试方法评价体系，规范现有的检测系统，使不同企业的产品依据统一的测试方法 检测，只有这样才能真正了解我国L E D 照明产品的技术水平，进而推动我国L E D 照明 工业的技术进步，促进行业发展。 L E D 照明器具技术标准和测试方法的建立，也将会促进半导体技术的进步，对L E D 照明产品的生产和质量的提高，缩短我国与国际水平的差距，具有极其重要的现实意义 和深远的历史意义，将会产生巨大的经济效益和社会效益。 国际照明委员会( C m ) 和国际电工委员会O E C ) 都没有关于照明L E D 的标准。 浙江大学硕士学位论文 仅仅在上世纪9 0 年代，C I E 曾经发表了一个一般L E D 测试方法的技术报告。但是， 由于近年来L E D 产品的技术发展迅速，现在发现的L E D 的许多技术特性都是过去所未 考虑到的。因此，在1 9 9 9 年日本京都举行的I E C 年会上，与会的发达国家代表提议由 I C ET C 3 4 ( 照明技术委员会) 制定白光L E D 照明器具标准，日本代表团还提交了一般 照明用白光L E D 的两项标准草案。为了发展照明L E D ，发达国家都非常重视L E D 测试 方法及标准的研究。例如，美国国家标准检测研究所( N I S T ) t 1 1 1 是一个世界著名的测试研 究机构，目前他们组织国际知名测试专家开展L E D 测试的研究，重点研究L E D 发光特 性、温度特性和光衰特性等测试方法，试图建立整套的L E D 测试方法和技术标准，在 L E D 测试方面已经走在了世界的前列。日本成立了“白光L E D 测试研究委员会”，专 门研究照明用白光L E D 的测试方法和技术标准。世界发达国家为了抢占L E D 研究的制 高点，在L E D 标准和测试方面都投入了大量的人力物力，在标准方面注重选择L E D 特 性参数及测试方法研究。我国目前尚无L E D 照明器具标准，也没有相应的L E D 照明 检测系统。一些企业采购了部分检测设备，但由于缺少专业的研究，检测水平低，仪器 配套性差，检测精度低，互相之间不可比对，测试项目不能满足需要。我国的专业检测 机构虽然也曾开展了一些L E D 测试的研究工作，但由于条件所限，尚不能形成完整的 检测评价系统，其水平与国外发达国家仍有较大差距。 我国有关检测部门已经着手开展照明L E D 测试方法的研究，包括检测设备的开发 工作。全国照明电器标准化技术委员会已经将照明L E D 的技术标准和测试方法标准列 入工作计划，希望通过照明L E D 标准的制定，促进L E D 技术的发展和在照明领域的应 用f 1 2 。 目前国内己经出现了一些L E D 光色综合测试的仪器【”】，可以测量L E D 在一9 0 0 - 一+ 9 0 0 范围内的光强分布和等效光通量、等效光通量效率、等效辐射功率效率、色品坐标等L E D 的相关参数。还有L E D 在线分拣系统的研制等“4 1 。但是这些仪器在钡9 量的标准方面， 或多或少都有些欠缺，所以在测量L E D 的各种光色参数时，最迫切需要考虑的是测量 的标准问题。 1 2 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究任务是按照C I E 所提出的L E D 光度标准测量方法，对L E D 相关 光度参数的测量方法进行探讨和研究，由此设计并且研制出一种测量L E D 光度特性的 4 浙江大学硕士学位论文 装置，以实现L E D 发光强度空间分布特性的自动测量。 基于相关光度学理论，分析L E D 的测试标准，由此提出一种L E D 发光强度空间分 布曲线及相关光度参数的测量方法，并确定相应的测试方案、测试步骤、测试精度 要求及其评价方法。 研发L E D 发光强度空间分布特性的自动测试系统，采用单片机系统实现步进电机 驱动空间扫描、光电探测、信号采集、数据处理、与P C 的串口通讯等功能，设计 P C 机系统测量软件达到测量L E D 发光强度空间分布曲线、半强度角、光束发散角 等光度参数之目标，并使测量的准确性控制在标准要求以内。 应用研制的系统对典型的L E D 样品进行测试实验，通过数据处理和分析，评价该 系统的测量精度，讨论可能造成测试误差的原因及其解决的方法，由此进一步提出 该系统改进的意见。 浙江大学硕士学位论文 第二章相关光度学基本原理 2 1 相关光度量及基本定律 2 1 1 发光强度 光源在指定方向上的一个很小的立体角元d Q 内所包含的光通量d 妒，除以这个立体 角元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度( L u m i n o u s i n t e n s i t y ) 【1 5 1 ，其表达 式为 。箍 沼 发光强度的单位为坎德拉( c a n d e l a ) ，符号为c d 。 2 1 2 光照度 在光接收面上一点处的光照度( i l l u m i n a c e ) 等于照射在包括该点在内的一个面元上 的光通量d 破，除以该面元的面积d S ，即 E = 等 江：， 单位为勒克斯( 1 u x ) ，符号为l x 。 2 1 3 距离平方反比定律 N S 图2 - 】距离平方反比定律示意图 6 祈江大学硕士学位论文 点光源的特点是能向周围如空间以相同的发光强度发出辐射。如图2 1 所示，设 有一面元d S 接收其光照，设点光源s 至面元d s 的距离为r ，并且点光源发出的元光束 的光轴与面元的法线N 之间的夹角为0 ，面元d s 对点光源s 所张的立体角为 d Q ：d S c o 。s 0 r ( 2 - 3 ) 在此立体角元内，由点光源发出的光通量为 d O ：i d S c o ，s O ( 2 4 ) 而此光通量全部投射到面元d S 上，所以，面元上的照度为 ：i d e ：三C O S p 嬲r 2 ( 2 5 ) 由此可见，点光源在面元d s 上所产生的光照度与光源的发光强度成正比，与距离的平 方成反比并且与面元相对于光束的倾角有关。当点光源位于面元的法线上时，可写为 F = 寨= 吾 沼。， 栅r 2 r ，、 这个公式仅适用于点光源，即为点光源照度的平方反比定律。 2 2 发光强度的测量方法 光源的发光强度不能直接测出，都是通过先测量光源在一定距离下的光照度，然后 再根据距离平方反比定律计算得出。通常，光源发光强度的测量方法主要有目视光度法 和物理光度法两种。 2 2 1 目视光度法 目视光度法测量发光强度需要在光轨上进行，可以分为直接比较法和代替法。 ( 1 ) 直接比较法 直接比较法是将被测光源和标准光源在光轨上进行比较，如图2 2 所示，可调节两 浙江大学硕士学位论文 光源或光度头的位置当在目镜视场中看到视场两边的亮度相同，分别记下量光源至光度 头的距离d s 和d e ，则可根据标准光源的发光强度I s 计算出被测光源的发光强度I c ，即 L 等 池， 图2 - 2 直接比较法示意图 这种测量方法，只有在光度头中的白色漫反射屏D 两面的反射L C p 一致时，才不会 产生误差，但是实际上两面的反射比是不会完全相同的。此时采用下面的公式，则可消 除反射比不一致的影响，即 ，f2 筹 沼s ， 式中，成和成分别为白色漫反射屏两边的反射比。 ( 2 ) 代替法 为了消除白色漫反射屏两面的反射比P 一致时产生的误差，除了需测量两面的反射 比只和风并利用上式计算外，还可以采用代替法进行测量，如图2 - 3 所示。代替法测 量需增加一只比较灯B ，对比较灯的要求是它的发光强度在时间上应该相对稳定，但是 不必知道其具体数值。 测量时，首先放最标准灯S 和比较灯B ，并且调节二灯使光度头的两半场视场照度 相同，测得r s 和r B ，则 浙江大学硕士学位论文 E ：堂：三 d Sr 2 图2 - 3 代替法示意图 B ( 2 9 ) 然后移去标准灯s ，换上待测灯C ，比较灯B 和光度头的位置保持不变，移动灯至 照度平衡，测得r c ，则 铲筹 c z - “” 比较上面两式，可得 r 2 2 L j 2 1 1 ) 代替法与直接比较法的计算公式相同，但是采用了比较灯以后，消除了由于漫反射 屏两面反射比9 不一致带来的误差。 2 2 2 物理光度法 目视光度法以人眼作为接受器判断被比较光源和标准光源的光度量是否相同，因而 带有较大的主观性，导致了主观测量误差；而物理光度法是以带有v ( U 光探测器的仪器 进行客观的检测，排除了人眼的主观因素，所以物理光度法也称客观光度法。 将上述光轨上的目视光度头用照度计代替就可用作物理光度法来测量发光强度，根 据探测器线性响应范围的不同，可采用固定距离法和等照度法等不同的方法。 ( 1 ) 固定距离法 这种方法用于标准灯和待测灯所产生的照度都在探测器的线性工作范围内的情况， 如图2 4 所示，先测得标准灯s 在距离r 处得光电流i 。，再测得待测灯C 在同一位置处 的光电流i 。，则 9 - 生l 杏 浙江大学硕士学位论文 图2 4 固定距离法测量发光强度 j 。：，。拿 z 5 式中，。为标准灯的光强度，。为待测灯得光强度。 ( 2 ) 等照度法 图2 5 等照度法测量发光强度 ( 2 1 2 ) 等照度法用于标准灯和待测灯所产生的照度不在探测器非线性 ：作范围内的情况。 如图2 - 5 所示，先将标准灯放于在距离探测器r s 处，测的光电流为i ；然后移去标准灯， 放上待测灯C ，移动该灯至光电流仍为i 。时，测出距离r c ，则 I 。吐等( 2 - 1 3 ) 2 2 3 发光强度空间分布曲线的测量原理 各向同性的光源，其在各方向上的发光强度是相同的，但大部分实际光源都是各向 异性的，它们在各个方向的发光强度相差很多。表征发光强度在各个方向上的分布情况 的曲线，称作发光强度分布曲线，也称为配光曲线，可以用图2 - 6 所示的装置进行测景。 浙江大学硕士学位论文 圈2 - 6 发光强厦空间分布测量方法 图中C 是待测光源，它发出的光经反射镜M I 和M 2 反射后到达光度计P 中，除了 光源C 不动外，其余部分都可绕轴O o 转动，将P 在各个角度上测得的值以极坐标形 式绘出曲线，就可以得到光源的空间发光强度分布眭珏线【1 6 l 。 2 3L E D 其他相关光度参数 2 _ 3 1 光轴 L E D 的光轴( o p t i c a la x i s ) 指的是L E D 最大发光( 或辐射) 强度方向的中心线( 见图 2 7 ) 。 2 3 2 半强度角 L E D 的半强度角O l n ( h a l f - i n t e n s i t y a n g l e ) N 0 是在发光( 或辐射) 强度分布图形中，发 光( 或辐射) 强度大于最大强度一半的两条光线所构成的角度( 见图2 7 ) 。 2 3 3 偏差角 在发光( 或辐射) 强度分布图形中，最大发光( 或辐射) 强度方向( 光轴) 与机械 轴Z 之间的夹角即为L E D 的偏差角A 0 ( m i s a l i g n m e n ta n g e ) 【1 7 】( 见图2 - 7 ) 。 2 3 4 光束扩散角 在包含最大光强的某个平面上，两条为十分之一最大光强的光线之间的夹角称为该 平面的光束扩散( s p r e a da n g l eo f l i g h tb e a m ) 。 浙江大学硕士学位论文 X Z I j m 2 图2 - 7 L E D 相关光度参数定义示意图 1 2 机械轴 韧川I，。1 浙江大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 3 1L E D 测量的标准条件和要求 L E D 光学参数的测量中，许多因素诸如几何尺寸、电学特性、机械安装等方面都极 大地影响着L E D 的光学特性，所以为了达到对其进行精确的测量，必须考虑以F 多个 方面的相关因素。 ( 1 ) L E D 的几何中心不是其光学中心 当把L E D 放在一般的测量夹具上时，都很自然地认为光是从它的结构中心发出的， 但其实L E D 的光学中心通常会偏离结构中心5 。或者更多1 8 】，所以在视角很小时进行 测量就必须考虑这种偏差。不过，在大视角时不会引起太多问题，因而C I E 仍然推荐用 结构中心作为测量的参考。 ( 2 ) 必须在一定的时间间隔或L E D 稳定后测量其光辐射的输出 当L E D 被初次激励时，温度会随着能量的消耗而增力目，需要几分钟时间才能使输 出达到热平衡1 9 1 ，当预热达到5 至2 0 以后就很少出现输出降低的情况了，所以测量 L E D 的时候，一般要有5 秒钟的时间用来预热。 ( 3 ) 测量过程中应保持环境温度的稳定 环境温度的变化会使L E D 的亮度和颜色发生变化，随着温度的升高，L E D 的输出 功率会降低，它的颜色也会向光谱的高端偏移，所以在测量时应该注意保持环境温度 的稳定。 ( 4 ) 应使用恒流电源供电 每个L E D 的正向压降都各不相同，所以只有用恒流电源才能提供给不同的L E D 相 同的稳定的电流，而不影响测试精度。 ( 5 ) 测量仪器的参数设置应该易于更改 复杂的仪器参数设置对于进行试验性质的测量是很合适的，但要测量许多只L E D 时，由于它们的封装、视角、发光颜色的不同，这就需要测量仪器能够很容易地改变测 量参数的设置。 1 3 浙江大学硕士学位论文 ( 6 ) 所有的测量仪器应该进行正确的校准 用于测量的光探头必须含有v 修正；L E D 面向探测器放置时，L E D 的机械轴应 该和探测器孔径中心保持在同一直线上。 ( 7 ) C I i 条件A 和B 因为L E D 并不等同于传统点光源，所以对于近场L E D 的测量，C I E l 2 7 有两个推荐 的标准条件：C I E 标准条件A 和C I E 标准条件B f2 2 1 。这两个条件都要求所用的探测器有 一个面积为1 c m 2 ( 相对直径1 1 3 m m ) 的圆形入射孔径，L E D 要面向探测器放置，并且保 证L E D 的机械轴( 即J L 何中心) 通过探测器的孔径中心。这两个条件的区别在于：L E D 顶端到探测器的距离、立体角和平面角( 全角) 的不同2 3 1 ，其具体指标参数如表3 。l 所 不。 表3 - 1C I E 标准条件A 和B C m 推荐L E D 顶端到探测器的距离d立体角平面角( 全角)应用 标准条件A 3 1 6 m m0 0 0 1 s r2 0 高亮度 标准条件B l O O m m0 O l s r6 5 0 低亮度 除了以上相关方面的因素之外，测量L E D 时还需要注意其大气条件、测量环境和 参数应该满足如下要求： ( 1 ) 标准大气条件 温度：1 5 ( 2 3 5 相对湿度：2 0 8 0 气压：8 6 k P a 1 0 6 k P a ( 2 ) 定标实验的标准大气条件 温度：2 5 1 相对湿度：4 8 5 2 气压：8 6 k P a 1 0 6 k P a 1 4 浙江太学硕士学位论文 ( 3 ) 环境条件 a ) 测试环境应无影响测试准确度的机械振动和电磁干扰 b ) 除非另有规定，器件全部光电参数均应在热平衡下进行 c ) 测试系统应接地良好 ( 4 ) 测量参数要求 除非另有规定，器件测试应采取预防措施和保持下述公差。虽然在有关文件中规定 的测试条件严于下述公差，但在一般情况下，应遵循下述规定的条件。 a ) 偏置条件应在规定值的3 以内 b ) 测量半强度角误差不大于1 0 c ) 测量发光强度误差不大于2 5 3 2 总体方案 本课题研究的目的是希望通过对发光强度测试技术的研究，采用最新的数字计算机 技术，根据光度学的基本原理研制出一种高精度的L E D 发光强度空间分布特性自动测 试系统，以满足工业生产和计量检测的需求。整个测试系统主要包括角度扫描机械平台 及其驱动控制、光电探测及信号采集、单片机系统与P C 机的串口通讯以及相应的控制 与测试软件等功能模块。系统的设计要求是能够准确地测量L E D 的发光强度分布曲线， 即配光曲线，并且可以测得L E D 发光的偏差角、半强度角和光束扩散角等相关光度特 性参数。 3 2 1 系统总体结构 从系统总体结构框图3 1 中可以看到，P C 机是整个测量的核心，即测量的进程和 数据都由P C 控制，P C 机给单片机发指令，单片机识别是否测量采样或者驱动步进电机， 然后通过测试平台的旋转扫描和发光强度信号的同步采集来获得L E D 在空间各个角度 点的发光强度，并由单片机将数据传送给P C 机，最后在P C 机上进行数据处理和相关 光度参数的计算与分析。 浙江大学硕士学位论文 量 片 机 系 统 图3 - 1 系统总体结构图 测量在一个小暗室里面进行，并且能确保环境温度的恒定，被测的L E D 用恒流源 供电，以保证电流的稳定洲。测试系统的机械及光学部分结构如图3 - 2 所示。 G I F + 图3 - 2 机械及光学部分不意图 图3 2 中，G 为电流源，D 为被测L E D 器件，被测L E D 定位在旋转台上而且位于 旋转台上一定的高度，以免被旋转台挡住光线，系统旋转台上的刻度盘中心即为旋转中 心，而且L E D 的发光点应与旋转中心对齐。度盘应该有足够的角度刻度精度，要求被 测L E D 器件位置可精确再现，变化角度0 后器件D 光学窗口的中心仍然能保持固定； 能测量夹角0 ，0 为z 轴( L E D 机械结构中心轴) 和探测器轴之间的夹角。P D 为包含面 积为A ( 1 0 0 r a m 2 ) 的光阑D 1 的光度探测器：D 2 和D 3 为消除杂散光光阑，D 2 和D 3 不应 限制探测立体角；d 为被测L E D 器件与光阑D l 之间的距离，该距离应满足C I E 标准条 件A 或者标准条件B 。 测量时，L E D 在旋转台上定位于某个测试角度，由光电探测器测得相应的光电流信 浙江大学硕士学位论文 号，经过电流- 电压转换和电压放大后进入A D 转换芯片，经过转换后的数字信号读入 单片机，再由单片机将测试数据通过串行接口传入P C 机，然后P C 机通过单片机控制 步迸电机驱动扫描平台旋转至下一个角度进行测试。整个角度范围测量结束后，可以输 出测试报告，包括L E D 发光强度的空间分布曲线、偏差角和半强度角等信息和参数。 3 2 2 光度定标 L E D 作为光源，其发光强度是通过测量光照度并由相应的公式计算得到】。但是， 因为光电探测器测得的是光电流，所以由光电流计算出光强值需要通过光度定标来实 现。测量时探测器产生的光电流与L E D 的发光强度是成正比的，所以将标准灯正对探 测器并且距离探测器为d 处测得其光电流为i 。，再测得待测灯在同一位置处的光电流i 。， 并设l s 为标准灯的光强，L 为待测灯的光强，则可以得到 ，= ， ：K 1 ， ( 3 一1 ) K ：三 式中，k 为系统的固定参数，光度定标就是为了得到这个定标参数，它与光电探测 器的光谱灵敏度、整个系统的光谱透过率等仪器因素有关。 实际测量中，可以利用光照度来标定发光强度，并采用光强标准灯校准硅光电二极 管。把光强标准灯、L E D 和配有V ( 九) 滤光片的硅光电二极管安装和调试在光具座上， 特别是严格地调整灯丝位置、L E D 发光部位及接受面位置。 因为光照度和发光强度之间有关系为 ，= E x d ； ( 3 2 ) 式中，d 。是标准灯与接受器之间的距离，I s 是标准灯的光强度。 E = i ，x C( 3 * 3 ) 式中，i 。是对于标准灯的探测器响应，C 是一个由仪器函数决定的常数，所以可以通过 对标准灯的测量来得到该常数： C = E l i , ( 3 - 4 ) 17 浙江大学硕士学位论文 所以，对于被测L E D ，有 或 辱= x C I t = c x i , 砰= ( E l i , ) x i , x d ； f 3 5 ) ( 3 6 ) 式中d t 是L E D 与光电探测器接受面之距离，与d 。相同。 结合式( 3 1 ) 和( 3 - 6 ) 可知，该测试系统的光度定标系数为 K = ( 最) ( 3 7 ) 光电探测器在没有光照的情况下由于噪声或者环境因素的影响而产生的光电流即 为暗电流。暗电流的存在使测量产生误差，所以要进行零点定标，将暗电流消除。因为 探测器的输出响应( 光电流) t 为 t ? 2 l ：+ l d ( 3 - 8 ) 式中，为暗电流，为真实的响应。可见，只要在没有光照的情况下，测得探测器的 响应( 暗电流) i a ，然后在实际测量时减去这个基底值就可以得到真实的响应。测量暗 电流的方法是在不点亮被测灯的情况下直接测量暗室的响应即可。 1 8 浙江大学硕士学位论文 第四章系统硬件设计 整个系统的硬件部分主要包括步进电机及其驱动与控制电路、光电探测器、信号放 大电路、A D 转换及信号采样电路、单片机系统及串行通讯接口等模块。 4 1 步进电机及驱动 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况 下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影 响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步 进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域采用步进 电机进行控制变得非常简单。 4 1 1 步进电机的分类和特点 步进电机可分为反应式步进电机( 简称V R ) 、永磁式步进电机( 简称P M ) 和混合 式步进电机( 简称H B ) 1 2 6 。 反应式步进电机亦称做磁阻式步进电机，其定转子磁路均由软磁材料制成，定子上 有很多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，这种电机的相数一般为3 、4 、5 、6 相。 按绕组排列的形式，可分为单段式径向磁路、多段式径向磁路和多段式轴向磁路三种。 不管是哪一种反应式步进电机，它们的共同特点是：气隙小，步距角小，励磁电流较大， 绕组线经粗，电阻小，电机的内阻尼小，断电时没有定位转矩。这种电机现在已经很少 使用了。 永磁式步进电机是转子或定子的某一方具有永久磁钢的步进电机，另一方是由软磁 材料制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩，永磁 式步进电机的特点是步距角大，一般为1 5 、2 2 5 、3 0 、4 5 、9 0 等，相数一般为偶数( 二 相或四相) ，其他相数的永磁式步进电机较少；起动频率较低，负载起动频率通常在3 0 0 H z 以下；控制功率小，驱动器所使用的电压一般为单一典雅，如2 4 V 或1 2 V ，励磁绕组电 流一般也小于2 A ，不用或用阻值很小的限电流电阻即可；内部电磁阻尼较大，单步振 荡时间短；断电时电机具有定的保持转矩，故有记忆能力，可作定位使用。 混合式步进电机是一种兼有反应式和永磁式两种步进电机优点的新型电机，国外已 1 9 浙江大学硕士学位论文 经成为主流产品，国内也开始大面积取代反应式步进电机成为市场热点。混合式步进电 机驱动器采用独特的控制电路、高细分的内部倍频技术，具有高精度、噪音低、振动小、 高可靠性和高相应频性等特点和过压、过流、错相保护及静态保护电流控制功能，更具 有优良的高速性能，性能价格比在同类产品中非常突出。 4 1 2 步进电机的驱动 本系统根据步进电机脉宽调制的原理来对步进电机进行驱动2 7 1 。脉宽调制方式是 一种供电电压比电机额定电压高得多的情况下采用的斩波方式使电动机绕组电流从低 速到高速运行范围内保持恒定的一种驱动方式，工作原理如图4 1 所示。 图4 - - 1 脉宽调制原理图 由单片机或环形分配器送来的步进电机脉冲控制信号与V i e w M 端输入的I ，W I V I 脉冲宽 度调制信号相与，则在与门Y 的输出端产生受控与V I N 的间歇脉冲序列V b ，这个脉冲 序列使功放管T 处于高频开关状态，从而在步进电机的绕组上产生如图4 2 所示的电流 I L 。通过改变脉冲序列的占空比或电源电压可以改变绕组中稳态电流的大小。当T 关断 时，绕组电流经R o t 、D 构成泄放回路续流。 图4 2 绕组电流图 2 0 浙江大学硕士学位论文 高频脉冲序列脉宽的减小可以粗略地认为等效于电源电压的减小，但是它对应的电 流波形并不如纯粹的低压功效电路那样上升缓慢，因为它具有较好的高频特性，从而不 会在电流上升的时间内产生过量的能量，使电机运行平稳得多，有效地抑制了低频共振 现象，因此该电路又称为斩波平滑功放电路。 步进电机驱动线路，如果按照环形分配器决定的分配方式，控制步进电机各相绕组 的导通或截止，从而使电动机产生步进所需的旋转磁势拖动转子步进旋转，则步距角值 有两种，即整步工作或者半步工作。步距角由电机结构所确定，如果要求步进电机有更 小的步距角，更高的分辨率，或者为了电机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切 换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电机的合成磁势也只能旋转步距角的一部分， 转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里，绕组电流是一个阶梯波，额定电流是台 阶式的投入或者切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同