一種面向LED光學透鏡的光譜透射測量系統

蔡 怡，汪哲弘，張 鈺

(杭州市質量技術監督檢測院，浙江 杭州 310019)

一種面向LED光學透鏡的光譜透射測量系統

蔡 怡，汪哲弘，張 鈺

(杭州市質量技術監督檢測院，浙江 杭州 310019)

LED燈作為照明光源，通常會應用光學透鏡,進行二次光學配光設計，在應用光學透鏡后其光譜一般會發生變化，光度和顏色都會發生改變。研究一種面向LED等非平面型鏡片的光譜透射測量裝置，可以精確測量LED光源經過光學透鏡后的光譜變化，為光學設計提供可靠的數據。

LED；光譜；光學透鏡；透射

引言

在開發LED照明產品的熱潮中，加強產品的基礎研究，避免簡單模仿，提高產品的性能和質量，是LED照明工作者的重要任務[1]。

將LED光源芯片應用到具體照明產品時，整個系統的出光效率、光強、色溫的分布狀況也必須設計，稱為二次光學設計[2]。通過二次光學設計，可以準確控制光線的方向，解決傳統光源一直無法進行有效光學設計來獲得精確配光的局面[3]。

光學透鏡的運用是二次光學設計的重要組成部分，如利用自由曲面透鏡改善LED臺燈、路燈的光線分布狀況[4-6]。但在應用光學透鏡后，其光譜一般會發生變化，從而光度和顏色都會發生改變，其變化直接導致照明效果相應的變化，在生產行業中照明工程師需要根據這種變化調整透鏡方案，甚至是芯片方案。

1 現有測量技術

對于光學透鏡光譜透射比的測量，目前國內和國際上一般都采用分光光度計。

1.1 基本原理

其基本原理如圖1所示。

圖1 雙光束分光光度計Fig.1 Double beam spectrophotometer

1.2 存在的缺陷

1)可測量樣品尺寸限制。被測樣品尺寸受到儀器光學系統和機械結構限制，樣品尺寸太大或太小都不行，特別是直徑2 mm左右的小樣品無法測量。

2)不可測量非平面型光學透鏡。由單色儀的出射狹縫射出單色光不是平行光束，所以只能測量平面透射樣品，不能測量透鏡，如凸透鏡，凹透鏡，因為透鏡置入光路將破壞儀器的光線傳輸特性，造成很大的測量誤差，這是此類傳統分光光度計的致命缺陷。

3)光束能量只能由控制單色儀的狹縫大小實現。測量儀器的光束能量大小只能由控制單色儀的狹縫大小實現，但是狹縫大小變化后，儀器的測量光譜帶寬隨著發生變化，不能滿足測量的要求。

4)不能快速測量樣品在特定標準光源照明下的積分透射比。系統缺少V(λ)探測器，無法一次測量材料在特定標準光源照明下的積分透射比。

因此，研究一種適用于LED光學透鏡的光譜透射測量系統，可以更具有針對性地對非平面型光學鏡片的光譜透射比，角度特性、偏振片消光比等進行精密測量。

2 系統設計

2.1 系統結構

本測量系統主要由光源及穩流驅動系統、透射比測量系統、光度探測器、光譜分析系統、計算機軟件處理系統五部分組成。系統結構如圖2所示。

1—外罩殼；2—被測反射樣品或標準白板；3—右半積分球，4—光纖；5—光度探測器；6—左半積分球；7—被測透射樣品(平面或透鏡)；8—可變光闌；9—防雜散光闌；10—第一透鏡；11—視場光闌；12—第二透鏡組座；13—第二透鏡組；14—照明光源座；15—照明光源；16—導光纖維；17—光陷井圖2 光譜透射測量系統結構圖Fig.2 Structure figure of spectral transmission measurement system

2.2 工作原理

系統的工作原理是：照明光源(15)發出的光束被第二透鏡組(13)會聚至視場光闌(11)，光束經視場光闌入射于第一透鏡組(10)，并轉變為平行光束，9為防雜散光闌，平行光束孔徑大小由可變光闌(8)控制，光束入射于被測反射樣品或標準白板(2)，光束經被測反射樣品或標準白板(2)反射后，由積分球(3、6)漫射的光被導光纖維(16)接收，傳遞到光譜分析儀轉變為樣品光電信號，通過電路硬件送入計算機處理，積分球反射樣品平面與入射光束的角度設計為8°～10°，并在積分球上設置光陷井(17)，可以吸收標準白板或被測反射樣品的鏡面反射光束。在積分球壁上設置光度探測器(4)，可以測量樣品的透射比τ和反射比ρ，照明光源(15)的光源驅動為恒流電源，電流穩定度優于0.1%。

2.2.1 光源及穩流驅動

光源的穩定是測量系統穩定的前提。本系統的照明光源為A光源，采用OSRAM鹵素燈，光源驅動為穩流驅動，內置溫度基準，進行實時溫度漂移補償，因此該照明系統可以達到很高的精度，光源驅動穩定性0.02%。

2.2.2 透射比測量系統

由A光源產生的光經光學系統生成平行光束，光束直徑可調，最小直徑為2 mm； 其接收器采用積分球，由積分球反射的光能由光纖傳輸至光譜分析系統，因此該部件可以檢測光學元件的光譜透射特性，反映出它對彩色還原的影響，該系統的性能類似于分光光度計。由于應用了積分球集光，所以特別適用于透鏡透射特性的測量，保證了系統適用于除平面型鏡片之外的光學元件進行測量；同時也適用于濾光片透射光譜的測量。

透射比測量系統中具有角度旋轉臺，其轉動角度可達110°，以測量各種入射角條件下的透射和反射光譜特性。裝置中的準直光束直徑可以調至2 mm，能正確入射于二向色鏡(PBS)的狹長入射面積，同時轉動工作臺，可以獲得二向色鏡(PBS)的光束入射角光譜透射特性。此外,該裝置中設置P-S偏振分量調節裝置,可以為用戶提供快速P-S偏振分量的變換，測量不同偏振條件下的光譜透射特性。

2.2.3 光度計

光度計探頭采用符合人眼明視覺光譜光視效率曲線的光度傳感器，由于照明系統采用A光源，因此光度計可以直接讀取被測光學元件在A光源下的積分透射比。

2.2.4 光譜分析系統

該部件包括單色儀、光電倍增管、信號接口等。積分球收集的光進入單色儀，由光電倍增管接收轉變為樣品光電信號，通過電路硬件信號接口送入計算機處理。單色系統為部件的最重要單元，應用光柵作為分光元件，系統焦距f′=300 mm，光譜分辨率達0.1 nm，波長精度為0.2 nm，可以滿足光譜精確測量的要求。在波長標定系統中應用了波長自動校準技術，因此系統可以通過計算機進行波長自動校準。

3 系統優點

3.1 雙探測器

光源可校正為標準A光源光譜分布，在積分球壁上的光度探測器4采用V(λ)探測器，這時應用標準白板對儀器標定后，可一次測量材料在A光源照明下的積分透射比，測量數據由光度計(5)顯示，當采用變換A光源為D65標準光源的D65(λ)探測器時，應用標準白板對儀器標定后，可一次測量材料在D65光源照明下的積分透射比τ，測量數據由光度計(5)顯示。該儀器同時提供二個探測器，V(λ)探測器和D65(λ)探測器，這是常規分光光度計不具備的。

3.2 測量樣品尺寸范圍大

在光路上設置可變光攔，調節可變光攔可改變入射于被測樣品或標準白板的光束強度，或測量光束口徑的大小，以適應不同的透鏡直徑，而單色儀的狹縫大小不會變化，儀器的測量光譜帶寬不隨光束強度改變而發生變化。此外由于可變光攔通光口徑可調節至2 mm，因此很小直徑的CCD攝像鏡頭的積分透射比τ積分反射比ρ都可以測量。

3.3 可測量光譜透射比和光譜反射比

當入射于被測透射樣品的光束經標準白板反射，再被積分球漫反射后，由導光纖維接收，傳遞到光譜分析儀轉變為樣品光電信號，通過電路硬件送入計算機處理，可獲得被測透射樣品的光譜透射比τ(λ)，具有常規分光光度計的特性。

本系統經標準白板校正后，換成被測反射樣品，當入射于被測反射樣品光束被反射，再被積分球漫反射后，由導光纖維接收，傳遞到光譜分析儀轉變為樣品光電信號，通過電路硬件送入計算機處理，可獲得被測反射樣品的光譜反射比ρ(λ)。

3.4 測量誤差小

由于本測量系統出射的光束為平行光束，而且經透射樣品(透鏡)立即被積分球完全收集，這樣的測量結構不僅可測平面透射樣品，而且也可以精確測量凸透鏡、凹透鏡的透射比τ。常規分光光度計入射于透射樣品的光束不是平行光，而且需經一組反射鏡的光學測量光路后進入積分球，因此通過透射樣品的光束不能全部被積分球收集，造成大的測量誤差。

4 結論

通過研究這種新型的光譜透射測量系統，解決精確測量非平面型光學鏡片的透射比問題，填補目前國內外該檢測技術領域的空白，為目前眾多生產廠家對非平面型光學鏡片在諸如LED半導體照明二次光學系統透鏡、傳統的投影光學引擎中的投影物鏡、立方合分色棱鏡、PBS鏡、數碼相機鏡頭、光學鏡片等光學設計提供可靠的數據依據。

致謝：致謝錢楓教授級高工的精心指導和教育，致謝杭州新葉光電工程技術有限公司為研究提供的零部件支持，致謝本工作受到的浙江省質量技術監督系統科研計劃項目資助。

[1] 周泉生，張暹.LED日光燈結構設計研討[J].中國照明電器,2012,(1):24-27.

[2] 閆瑞，肖志松，鄧思盛,等. LED光學設計的現狀與展望[J].照明工程學報，2011,22(2):38-42.

[3] 劉欣. LED照明的透射——全反射型復合曲面二次光學透鏡的設計[J].應用光學，2011，32(5):978-980.

[4] 卓友望,葛子平.實現LED臺燈均勻照明的自由曲面透鏡仿真設計[J].照明工程學報，2011,22(6):4-7.

[5] 蔣金波，杜雪，李榮彬.LED路燈透鏡的二次光學設計介紹[J].照明工程學報，2008,19(4):59-65.

[6] 于莉媛. LED路燈自由曲面二次光學透鏡的設計[J].能源與節能，2011，(9):73-74.

A Spectral Transmission Measurement System of LED Optical Lens

CAI Yi,WANG Zhehong, ZHANG Yu

(HangzhouInstituteofTestandCalibrationforTechnologySupervision,Hangzhou310019,China)

As light source, LED usually made secondary optical light distribution design by applying optical lens, but when optical lens was used, LED spectrum will change; luminosity and color were both changed. Design on a spectral transmission measurement system oriented LED non planar lens, the spectrum change can be accurately measured while LED light source go through optical lens, so that can provide reliable data for optical design.

LED;spectrum; optical lens; transmission

浙江省質量技術監督系統科研計劃項目——面向LED非平面型光學鏡片的光譜透射測量系統的研究與開發(20120234)

TH744

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.023