球形光度計計量LED 總光通量的關鍵技術

趙偉強，劉 慧，劉 建，趙海粟

(1.中國計量科學研究院,北京 100013；2.北京師范大學，北京 100875)

引言

球形光度計是測量LED產品光通量和光效的一種高效快速的設備，是目前用于LED光通量和光效檢測的最主要設備[1]。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心的問題。本文將討論球形光度計計量LED總光通量的關鍵技術要點。

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，其基本結構見圖1。光源S放在積分球內(常見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I/V轉換成電壓，最后在讀數儀表R上顯示出來；若探頭D是光纖收集面，其采集光線后通過光纖連接光譜輻射計，根據測得的可見光區的光譜功率，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1 球形光度計的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spherical photometer

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，無光譜選擇性。設球壁的反射比為ρ，球半徑為R，光源S所發出的總光通量為φ。根據積分球理論，光源S在球壁上產生的反射照度為：

(1)

對于一個確定的積分球，R和ρ都是固定的。于是式(1)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，從光源發出的光會直接照射到探頭D上，此時探頭D處位置的照度將依賴于光源在此方向上的發光強度。球內壁上各點照度值不相等，將不正比于光源的總光通量。

根據式(1)我們可以通過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

(2)

式中:Rtest為被測燈的光電讀數；Rstd為標準燈的光電讀數；φstd為標準燈的總光通量值；C為光通量常數。

2 LED的特點

LED是新一代節能光源，具有高效能、長壽命、色彩豐富、動態調節范圍大等特點，受到人們的高度關注，也是政府實現節能減排的一種高科技產品[2]。相對于白熾燈，LED燈具有如下特點[3]：

(1)色溫和光譜差異大(見圖2)。典型的白光LED是通過藍光激發黃綠熒光粉，混光得到白光。

圖2 典型LED和白熾燈的發光光譜圖Fig.2 The spectra of typical LEDs and an incandescent lamp

該特點使得球形光度計測量時需進行光譜光視效率函數失配修正。

(2)空間發光不均勻。個別類型LED發光方向性極強，空間發光強度分布曲線明顯區別于白熾燈。該特點使得球形光度計測量時需引入積分球空間響應函數。

(3)受結溫度影響大。由于LED發光芯片依賴于PN結溫度，因而LED光通量受環境溫度、散熱條件以及預熱時間的影響。白熾燈只需要5分鐘左右即可以接近熱平衡，并且對環境溫度不敏感。該特點使得測量LED光通量需充分預熱并且保持規定的點燃姿態和環境溫度。

3 測量LED總光通量的關鍵技術要點

3.1 使用的標準燈量值可靠，其檢定或校準證書在有效期之內

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光區，能有效定標球形光度計中的輻射光譜儀。

3.2 良好的實驗室環境以及充足的預熱時間，改善LED的量值重復性

由于LED易受環境溫度影響，故需要潔凈的恒溫實驗室條件。根據筆者日常測量LED光源的經驗，為達到熱平衡，LED單管預熱時間為5分鐘，LED燈泡等光源則需要0.5 小時至1小時。充分老化并經挑選后的LED光源重復性可以達到0.5%。

3.3 良好的設備特性

為了使實際使用的積分球接近理想條件，積分球直徑在滿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，反射率滿足CIE 84—1989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，波長位置誤差小，動態范圍大，線性良好。

3.4 光譜光視效率函數失配修正[4-5]

當探測器是光度探頭，實際響應度曲線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。這些因素使得球形光度計的響應曲線偏離V(λ)，帶來V(λ)失配誤差。可以通過下列計算估計測量偏差，并進行失配修正：

(3)

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。

3.5 積分球空間響應函數修正[4-5]

當被測LED和標準燈的歸一化光強空間分布曲線有明顯差異時，需特別注意該修正系數。由于球形光度計的內部涂層不均勻以及內部部件(如擋屏)的存在，光線照在積分球內部球壁上不同區域最終在探測器上形成的照度值并不相等，即存在不均勻的積分球空間響應分布函數(Spatial response distribution function，SRDF)：

(4)

其中:K(θ,φ)表示在積分球內球心位置往(θ,φ)投射定量窄光束至球內壁，經多次漫反射后，探測器的讀數。一般可設定K(0,0)為單位1。

積分球空間響應分布函數修正系數可寫為：

(5)

3.6 自吸收修正[4-5]

當被測LED和標準燈的外形尺寸相差較大或者狀態明顯差異時，應計算吸收修正因子。在積分球內適當位置(一般是球壁上)點燃一支發光穩定輔助燈，并遮擋住其射向窗口和被測燈的直射光。在正常安裝光源的位置上放置一支標準燈，探測器讀數為Astd；取下標準燈，相同位置放置被測LED，探測器讀數為Atest，則吸收修正因子計算公式為：

(6)

3.7 使用LED量值傳遞參考燈，規避上述修正，使得測量過程簡單可靠[6]

如果被測燈和標準燈在總光通量、歸一化光強空間分布曲線、發光光譜等參量上彼此接近，那么上述三個修正系數均接近1，可以忽略。建議考慮選用系列量值穩定的LED傳遞標準燈，直接應用式(2)計算光通量值。

4 小結

一般情況下，若球型光度計滿足上述提及的硬件要求、操作員能保持積分球的潔凈以及注意被測燈和標準燈(或LED量值傳遞參考燈)光學特性接近的情況下，所測量的LED燈的總光通量結果誤差是完全可控的。被測燈和標準燈(或LED量值傳遞參考燈)的光譜、光強空間分布或者外形差異大時，需進行相應的修正，以減少測量不確定度。

致謝：感謝楊臣鑄研究員在球形光度計計量技術上的有益建議和無私幫助。

[1] 肖亮,張露妍. 基于VB的球形光度計光通量計量計算方法[J]. 照明工程學報，2013, 24(3)：34-36.

[2] 張天翼，顧磊.照明應用中LED和OLED的比較及產業發展分析[J].照明工程學報，2013,24(6)：90-94.

[3] 俞安琪. LED照明產品檢測方法中的缺陷和改善的對策[J]. 照明工程學報, 2010, 21(4):60-65.

[4] Miller C C, Zong Yuqin, Yoshihiro Ohno.LED photometric calibrations at the National Institute of Standards and Technology and future measurement needs of LEDs. Proc. of SPIE, 2004,5530：69-78.

[5] CIE. Measurement of LEDs[S].CIE，2007.

[6] LED單管校準規范(報批稿).