LED光電參數測試儀校準方法的研究

張 帆，李 奕

(1.江蘇省計量科學研究院，江蘇 南京 210007；2.陜西省計量科學研究院，陜西 西安 710000)

引言

準確測量LED的光電性能參數是科學評價LED照明產品性能、質量現狀和發展趨勢的基礎。LED光電參數測試儀是檢驗單顆LED光電性能的重要測試設備，在生產過程控制和產品檢驗中發揮著越來越重要的作用，其計量參數的準確可靠，也就成了產品質量控制的關鍵[1-3]。

1 相關概念和原理

1.1 LED 平均發光強度

按照國際照明委員會CIE推薦的測量標準，應選光闌面積為100mm2的光度探測器，在與LED管前表面兩個固定距離下測量發光強度，即：

(1)ILEDA，對應CIE標準條件A(遠場)：測試距離為316mm，相應立體角為0.001sr；

(2)ILEDB，對應CIE標準條件B(近場)：測試距離為100mm，相應立體角為0.01sr。

1.2 CIE明視覺光譜光視效率

人們最關心的是可見光波段輻射帶給人眼的“明亮”和“顏色”的感覺。然而，各個波長的光給人眼帶來的感覺并不一致，而且這種視覺反應因個體的差異有所不同。為了統一度量,便于科學、工業等的交流,CIE在大量心理學、物理學實驗的基礎上,提出明/暗視覺光譜光視效率曲線。圖1是明視覺下的光譜光視效率曲線，以V(λ)表示，該曲線中，555nm即黃綠色時的光視效率最高，記為1。

圖1 相對光譜光視效率曲線V(λ)(明視覺)Fig.1 Curve: Spectral luminous efficiency function for photopic vision

1.3 典型的LED相對光譜功率分布

單色LED的光譜既不是單色光譜(如激光)，也不是寬帶光譜(如白熾燈)，而是介于兩者之間(準單色光譜)，它的帶寬大約幾十個納米。典型的LED可見光區域的相對光譜功率分布如圖2—圖5所示。

圖2 典型紅光LED相對光譜功率分布Fig.2 Relative spectral power distribution of typical red LED

圖3 典型綠光LED相對光譜功率分布Fig.3 Relative spectral power distribution of typical green LED

圖4 典型藍光LED相對光譜功率分布Fig.4 Relative spectral power distribution of typical blue LED

圖5 典型黃光LED相對光譜功率分布Fig.5 Relative spectral power distribution of typical yellow LED

1.4 LED光電參數測試儀的原理

LED光電參數測試儀是測量LED在可見光范圍內的光參數和電參數的儀器(見圖6)。LED光電參數測試儀由光、電兩大部分組成的，主要包括傳感器、輸入電路、A/D轉換電路和數字顯示部分等。作為儀器傳感器的光電接收器是儀器測量的關鍵部件，它由光電接收器(如硅光二極管)和恰當的濾光片匹配而成，使其光譜響應度曲線與標準光譜光視效率函數V(λ)曲線在整個可見光區相接近。此外，在光電接收器的前部設置有恒定長度的遮光筒，以確定接收器的視角大小和測量距離，筒內設有若干光闌，用來消除雜散輻射[1]。

圖6 LED光電參數測試儀示意圖Fig.6 Schematic diagram of LED photoelectric parameter tester

2 LED標準管標定

2.1 正向電流

使用一顆普通LED管作為測試負載，將標準電阻R(準確度等級不低于0.02級)串聯到此測試電路中，儀器設定20mA穩流輸出，通過用數字多用表(準確度等級不低于0.02級)測量標準電阻兩端電壓值，計算出正向電流標準值IA，電路連接如圖7所示。

圖7 LED光電參數測試儀正向電流測量原理圖Fig.7 The forward current Measurement principle diagram of LED photoelectric parameter tester

(1)

2.2 CIE標準條件A/B平均發光強度

使用兩套LED 標準管對儀器的CIE標準條件A/B平均發光強度進行校準。首先將正向電流誤差修正后，將不同的LED 標準管依次裝入LED 光電參數測試儀指定位置，調整LED和探測器的位置，使LED的發光軸線通過探測器孔徑的中心與探測器表面垂直，并緩慢點燃LED 標準管至實測值為20mA。以LED封裝頂點作為測量距離的起始點,調整二者之間的距離分別為316mm和100mm進行測量，CIE標準條件A/B平均發光強度測量原理圖如圖8所示。

圖8 LED光電參數測試儀平均發光強度測量原理圖Fig.8 The average luminous intensity measurement principle diagram of LED photoelectric parameter tester

使用兩套LED標準管對某型號的LED光電參數測試儀CIE標準條件A平均發光強度進行測試，測試數據見表1。

表1 LED標準管法測量數據Table 1 Measurement result by standard LED method

3 發光強度標準燈標定

發光強度標準燈的玻殼應是無色透明、無反堿、發霧、玻紋、氣泡等缺陷。玻殼的形狀常見的有球形、斜倒錐、正倒錐和圓柱形,如圖9所示。

圖9 發光強度標準燈結構圖Fig.9 Structure diagram of a standard source of irradiance

發光穩定性是標準燈的一個十分重要的特性，它與鎢絲材料品質、燈泡結構、制造工藝水平、玻殼化學穩定性有關。在點燃時還與供電電源的穩定度有關。

本實驗中采用的是BDQ7型一級發光強度標準燈(色溫2856K)。發光強度標準燈結構如圖9所示，其燈絲都在同一平面內，測量時應調整燈絲平面使其垂直于測量軸線，且中心在測量軸線上。

將一級發光強度標準燈和被檢儀器安裝在光度測量裝置上，調整好它們的位置。改變標準燈到光度頭之間的距離，讀取被檢儀器在測量點上的顯示值,測量方法和計算公式均參照JJG 245—2005《光照度計》檢定規程中6.3.4條款[3]。測量裝置原理圖如圖10所示。

1—發光強度標準燈；2—光闌；3—被檢LED光電參數測試儀；4—定位支座；5—光軌

根據公式I=El2和被測儀器內設的光強系數(如遠場條件時l=0.316m，即光強系數l2=0.1m2。保持儀器內置距離為遠場值不變，則I=0.1E)，計算出的結果如表2所示。

表2 發光強度標準燈法測量數據Table 2 Measurement result by a standard source of irradiance

4 數據分析

LED光電參數測試儀的探測器光譜響應必須進行修正，使它盡可能與V(λ)一致。實際上由于濾光片材料的限制，探測器的光譜響應度與CIE明視覺光譜光視效率V(λ)很難一致，通常CIE推薦的誤差評價公式[2]為：

(2)

(3)

式中，PA(λ)為標準照明體A的相對光譜功率分布；Vt(λ)為探測器的相對光譜響應度；V(λ)為CIE明視覺光譜光視效率。

LED的光譜帶寬比較窄，一般從十幾納米到幾十個納米(見圖2—圖5、圖12)，發光強度標準燈的光譜是連續光譜(見圖11)，所以特定波長有輕微匹配誤差的探測器對LED的測量誤差可能會比較大。

圖11 色溫2856K發光強度標準燈相對光譜功率分布圖Fig.11 Relative spectral power distribution diagram of a standard source of irradiance in 2856K color temperature

圖12 典型白光LED相對光譜功率分布圖Fig.12 Relative spectral power distribution of typical white LED

由表1和表2的測量數據可見，使用LED標準管法標定被測儀器測量白光LED的相對示值誤差，和發光強度標準燈法標定被測儀器的相對示值誤差均為-2.0%。紅光LED和藍光LED相對示值誤差分別為-17.0%和14.5%。我們將圖12中白光LED相對光譜功率分布曲線，分為480nm以下的藍光、480nm～580nm之間的綠光和580nm以上的紅光三個波段，以1nm為數據間隔對曲線下的面積分別做積分，得到三色光輻射的相對權重因子為：SB=27.2，SG=35.6，SR=27.2。依據表1，測量紅綠藍三種色光相對誤差平均值分別為：-16.95%、0.25%和14.45%。至此，可估算出被測儀器測量白光LED標準管的相對示值誤差為-0.7%，與實際測量值的平均值-1.5%僅相差0.8%。數據的自洽性進一步印證了儀器測量這三種色光時的相對誤差是可信的。

發光強度標準燈法可測量儀器線性和A光源下的相對示值誤差；而LED標準管法可測量不同顏色光源的相對示值誤差，從而針對不同顏色光源給出不同的修正系數。此法也可大致推算出儀器探頭的光譜響應度曲線對明視覺曲線V(λ)的匹配誤差，為儀器生產廠家提升探頭的V(λ)匹配水平提供半定量的測試數據。

綜上分析，用標準LED管法標定LED光電參數測試儀的發光強度特性更準確可靠。

[1] 馬瑤. LED 光電參數測試儀法向發光強度示值校準的測量不確定度探討[J]. 照明工程學報，2011,22(2):17-49.

[2] 郝允祥,陳遐舉，張保洲. 光度學[M]. 北京：中國計量出版社，2010.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局，全國光學計量技術委員會. JJG 245—2002光照度計檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2005.