球形光度計計量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)解析

球形光度計是用測量LED產(chǎn)品光通量和光效的一種高效快速的設備，涉及光通量測量的計量機構、產(chǎn)品檢測中心和企業(yè)質(zhì)控部門(mén)，是目前用于LED光通量和光效檢測的最主要設備。如何合理使用球形光度計獲得準確的光通量值是測試人員普遍關(guān)心的問(wèn)題。本文將嘗試討論球形光度計計量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

　　1 球形光度計原理

　　球形光度計是利用積分球測量光源總光通量的光度計，基本結構見(jiàn)圖1。光源S放在積分球內(常見(jiàn)位置是球中心位置的4π測量方式，或者球壁附近的 2π測量方式)，光探頭D在球壁上貼著(zhù)探測孔。該孔在球壁上，并放置有漫射器。若探頭D是光度探頭，其輸出電流經(jīng)I/V轉換成電壓，最后在讀數儀表R上顯示出來(lái)；若探頭D是光纖收集面，其采集光線(xiàn)后通過(guò)光纖連接光譜輻射計，根據測得的可見(jiàn)光區的光譜功率，利用光譜光視效率函數計算出總光通量。也存在兩者結合使用的情況，即同時(shí)使用光度探頭和光譜輻射計，利用光度探頭測量光通量，光譜輻射計測量光源的光譜功率分布。

　　圖1a. 球形光度計(探測系統為光照度計)的結構示意圖

　　圖1b. 球形光度計(探測系統為光譜輻射計)的結構示意圖

　　積分球內部是用白色漫反射材料均勻地涂布的，材料要求漫反射特性好，無(wú)光譜選擇性。設球壁的反射為ρ，比球半徑為R，光源S所發(fā)出的總光通量為φ。根據積分球理論，光源S在球壁上產(chǎn)生的反射照度為

　　對于一個(gè)確定的積分球，R和ρ都是固定的。于是上式表示，由于積分球內壁的多次漫反射作用，光源在球內壁各點(diǎn)形成的間接照度值相等，且正比于光源的總光通量。圖1中，擋板B的作用是阻擋光源S直接照射到探頭D。若積分球內去掉擋板B，從光源發(fā)出的光會(huì )直接照射到探頭D上，此時(shí)探頭D處位置的照度將依賴(lài)于光源在此方向上的發(fā)光強度。球內壁上各點(diǎn)照度值不相等，將不正比于光源的總光通量?！　「鶕?1)我們可以通過(guò)比較被測燈和標準燈之間的光電讀數，測量出被測燈的總光通量為

　　其中Rtest是被測燈的光電讀數，Rstd是標準燈的光電讀數，φstd是標準燈的總光通量值，C是光通量常數。

　　2LED特點(diǎn)

　　LED是新一代節能光源，具有高效能、長(cháng)壽命、色彩豐富、動(dòng)態(tài)調節范圍大等特點(diǎn)，受到人們的高度關(guān)注，也是**實(shí)現節能減排的一種高科技產(chǎn)品。一般認為，相對于傳統的白熾燈，LED燈具有如下特點(diǎn)：

　　1)色溫和光譜差異大。典型的白光LED是通過(guò)藍光激發(fā)黃綠熒光粉，混光得到白色。如下圖：

　　圖2. 典型LED和白熾燈的發(fā)光光譜圖

　　該特點(diǎn)使得球形光度計測量時(shí)需進(jìn)行光譜光視效率函數失配修正。

　　2)空間發(fā)光不均勻。個(gè)別類(lèi)型LED發(fā)光方向性極強，空間發(fā)光強度分布曲線(xiàn)明顯區別于白熾燈。該特點(diǎn)使得球形光度計測量時(shí)需引入積分球空間響應函數。

　　3)受結溫度影響大。由于LED發(fā)光芯片依賴(lài)于PN結溫度，因而LED光通量受環(huán)境溫度、散熱條件以及預熱時(shí)間的影響。白熾燈只需要5分鐘左右及可以接近熱平衡，并且對環(huán)境溫度不敏感。該特點(diǎn)使得測量LED光通量需充分預熱并且保持規定的點(diǎn)燃姿態(tài)和環(huán)境溫度。

　　3 測量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

　　1)使用的標準燈量值可靠，其檢定或校準證書(shū)在有效期之內。

　　目前國內使用的標準燈是BDT、BDP型標準白熾燈，這些類(lèi)型的標準燈量值穩定可靠，可以準確地定標光通量讀數值。此外，使用高色溫的分布溫度標準燈光譜覆蓋可見(jiàn)光區，能有效定標球形光度計中的輻射光譜儀。

　　2)良好的實(shí)驗室環(huán)境以及充足的預熱時(shí)間，改善LED的量值重復性。

　　由于LED易受環(huán)境溫度影響，故需要潔凈的恒溫實(shí)驗室條件。根據筆者日常測量LED光源的經(jīng)驗，為達到熱平衡，LED單管預熱時(shí)間為5分鐘，LED燈泡等光源則需要0.5 小時(shí)至1小時(shí)。充分老化并經(jīng)挑選后的LED光源重復性可已達到0.5%?！　?)良好的設備特性。

　　為了使實(shí)際使用的積分球接近理想條件，積分球直徑在滿(mǎn)足光度探頭靈敏度要求的情形下應盡可能地大。積分球內涂層材料應潔凈和均勻，反射率滿(mǎn)足 CIE 84-1989 The measurement of luminous flux的要求；內部支架和夾具不得對燈形成遮擋，須噴上漫反射涂層且總體表面積盡量小。擋屏位置適當，并保證被測光源不直接照射探測器的條件下，面積取最小值。光度探測器性能良好，其若是帶V(λ)修正的光度探頭，則要求f1’足夠小(實(shí)驗室級別)；其若光度探測器是輻射光譜儀，則要求雜散光小，波長(cháng)位置誤差小，動(dòng)態(tài)范圍大，線(xiàn)性良好。

　　4)光譜光視效率函數失配修正。

　　當探測器是光度探頭，實(shí)際響應度曲線(xiàn)與理想光譜光視效率函數V(λ)存在差異。此外，積分球內部漫反射涂層和窗口處的毛玻璃對光譜反射比不是理想的平坦曲線(xiàn)。這些因素使得球形光度計的響應曲線(xiàn)偏離V(λ)，帶來(lái)V(λ)失配誤差?？梢酝ㄟ^(guò)下列計算估計測量偏差，并進(jìn)行失配修正：

　　其中

　　， Ptest(λ) 為被測燈的相對光功率分布，Pstd(λ)為標準燈的相對光譜功率分布，S(λ)是光度測量系統的相對光譜響應度，ρ(λ)是積分球內壁的光譜漫反射比，τ(λ)是積分球窗口處的毛玻璃的光譜漫透射比。舉例，若用BDP定標某球形光度計，測量某白色LED燈，修正系數為 1.01；若是測量藍色LED，其系數可能有1.10，甚至更高。