CN101368872A - 发光二极管光通量测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用光电器件测量发光二极管等固体光源的光通量、辐射通量或辐射功率的测量装置与测量方法。其所解决的是现有装置和方法精度低，无法实现在线测量等问题。所说的测量装置主要包括光照度或辐照度测量探头(8)、光电流测量显示单元(10)、反射镜(2)、积分棒镜(6)、支撑环(4)及外壳(5)。所说的测量方法包括用反射镜(2)对发光二极管(1)在半球内所发出的光进行准直后送入积分棒镜(6)进行均匀化，通过测量积分棒镜(6)出射端(15)的光照度或辐照度再乘以积分棒镜(6)出射端(15)的面积获得发光二极管(1)的光通量或辐射功率。本发明提出的测量装置和方法能够实现绝对测量，体积小，成本低，长期稳定性好，适用于从紫外到近红外全波段各种发光二极管的快速、实时、在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光电器件测量发光二极管(以下简称LED)等固体光源的光通量、辐射通量或辐射功率的装置与方法。尤其涉及一种由光照度计或辐照度计探头及光电流测量、采集显示单元组成的光通量、辐射通量测量装置与方法。
背景技术
光通量、辐射功率或辐射通量是表征光源发光特性最重要的参数之一。光通量的测量通常有两种方法：一是在积分球内用已知光通量的标准光源与被测光源作比较测量，从而确定被测光源的光通量；另一方法是用分布式光度计测量被测光源在空间各方向的发光强度，计算后得到光通量。传统理论认为，分布式光度计可以获得比积分球法更高的测量精度，其缺点是测量时间长，测量装置需要一个很大的暗室。另外，分布式光度计本身的测量是以被测光源可近似为点光源为前提的，由于LED发光指向性强的特点，其发光特性常常偏离点光源符合的距离平方反比定律，用分布式光度计测量LED光通量常有较大误差。所以LED光通量的测量常采用积分球法。国际照明委员会出版物(CIE 127：2007.Measurement of LEDs)所推荐的LED光通量测量方法就是积分球法。积分球是一个球形空腔，一般由两个内壁涂有白色漫反射层(硫酸钡或氧化镁)的半球壳组装而成。球内放置光源，光源所发射的光经球壁多次漫反射后，使整个球壁上的照度均匀分布，故通过球壁上的窗口射到光电探测器上的光通量正比于光源所发射的总光通量。积分球法的缺点是体积大、成本高、积分球内壁涂料的反射率随时间而变化，比如美国国家标准技术研究所的LED光通量标准所用的就是直径2.5米的积分球(C.C.Miller and Y.Ohno，Luminous Flux Calibration ofLEDs at NIS T，2nd CIE Expert Symposium on LED Measurement)。由于积分球是一个封闭的球体，光源本身所散发的热量累积在积分球内将引起光源温度的变化，LED结温的升高会使其发光效率显著降低、继而影响到LED光通量的测量精度。当光源在空间各方向的发光特性不相同时，用积分球法测量光通量的误差更大。为克服该技术问题，日本公开特许公报特开2002-318156中公开了一种方案，在积分球内壁上安置多个探测器，其中一个测量漫射光，其他多个探测器测量从光源发出的直射光，根据多个直射光探测器的测量值推算出光源的空间强度分布，改善光通量测量精度。申请号为200610118915.8的中国专利申请公布说明书公开了一种采用窄光束标准光源的LED光通量测试装置及测试方法，但方案中并没有给出窄光束标准光源与窄通光孔径光纤的具体实施办法。
光通量测量用的积分球法和分布式光度计法是几十年前发明的，对于指向性很强的LED等固体光源测量存在明显缺点，但到现在为止还没有新的测量方法出现。
发明内容
本发明提出了一种测量LED等小型固体光源的光通量、辐射通量的新装置和方法。其所解决的问题是目前所使用方法在测量时LED必须从使用的基板上拆下安装在积分球或分布式光度计的专用支架上，测量不方便，LED工作时产生的热量全部累积在积分球内部，引起LED的结温上升，使测量结果不稳定等问题，实现LED光通量的快速、在线测量。
为了解决上述技术问题，本发明的LED光通量或辐射功率测量装置由空间响应特性符合余弦函数，光谱响应符合CIE明视觉光谱光效率函数V(λ)的光照度或在应用波长范围内光谱响应不随波长变化的辐照度测量探头和与光照度或辐照度探头的输出端通过电缆连接的光电流测量、采集显示单元组成。所述测量装置还有一个反射镜，该反射镜朝向被测LED一侧中心处有一个与被测LED相应的空腔，测试时被测LED位于此空腔内。所述反射镜的出射端与垂直于光轴的截面为正多边形的积分棒镜的入射端接合在一起，LED所发出的与光轴夹角较大的光在反射镜面反射后准直成为与光轴夹角较小的光线后射入积分棒镜；与光轴夹角较小的光不经反射直接射入积分棒镜。所述光照度或辐照度探头的接收面与前述积分棒镜的出射面紧密接触用于测量积分棒镜输出端面的光照度或辐照度。用两个支撑环放在积分棒镜和镜筒之间用于固定积分棒镜和反射镜，同时在积分棒镜和镜筒周围形成空气间隙，使光在积分棒镜内实现全反射。
与用积分球对光源的光进行匀化的做法不同，该测量装置和方法利用了当满足一定条件时光在光密和光疏介质界面发生全反射的性质，利用全反射镜使光源发出的所有光能全部入射到由多面体围成的实心棒状透镜内多次全反射，在棒镜的出射面形成与光源光通量成正比的均匀光照度。通过测量积分棒镜出射端的光照度即可测量出光源所发出的光通量。
方案中使用的反射镜是利用具有全内反射面的透镜实现的。所述反射镜为高透过率光学材料制作的透镜，其朝向LED的镜面中心开有与LED相对应的空腔，测量时LED的发光部被放置在该空腔内。所述反射镜的作用是利用全反射面对LED发出的与光轴夹角较大，比如大于45°的光线进行准直，变换成与光轴夹角小于45°的出射光。LED发出的与光轴夹角小于45°的光线则不与全反射面相交、不经全反射面反射，在透镜中折射后直接进入积分棒镜。所述反射镜出射端面为与前述积分棒镜入射端接合在一起的平面。前述透镜的全内反射面可以为锥面、二次曲面、阶梯面或沿光轴截面为多项式函数的曲面。阶梯面反射镜的详细结构可参见美国专利5404869等。为了使LED所发出的光全部射入前述积分棒镜，所述反射镜的出射端面的直径应小于或等于积分棒镜入射端面多边形内切圆的直径。
所述积分棒镜为光辐射吸收极小的光学玻璃或石英制成的实心、棒状透镜，其各表面均为精密抛光的光学面。积分棒镜可以是入射和出射端面积相等的直棒，也可以是锥形棒，即光入射端与出射端大小不同。积分棒镜的光输入、输出端面均为平面，连接输入、输出端面中心的直线为积分棒镜的光轴。沿光轴各点，积分棒镜垂直于光轴的截面为正多边形。棒镜的长度越长对光的积分效果越好，为了获得好的出射均匀性，积分棒镜的长度应大于入射端面对角线尺寸的两倍；反之，棒镜过长，光在棒镜中的吸收增加，其长度应小于入射面对角线长度的40倍。由于积分棒镜所利用的是全反射原理，其测量范围只受材料吸收特性的限制，故可应用于从紫外到红外的整个波长范围。
如果被测LED是指定颜色的，紧贴积分棒镜输出端安装的光照度探头的光谱响应也可以只在与LED波长对应的波长范围内与光谱光效率函数V(λ)相一致。
为解决前述技术问题，本发明所采用的测量发光二极管光通量或辐射通量、辐射功率的新方法是：先用一个反射镜准直LED所发出的与光轴夹角较大(如大于45°)的光线，然后将准直后的光与LED发出的与光轴夹角较小的光线一起射入垂轴截面为正多边形的积分棒镜中进行混合积分，在积分棒镜的出射端面形成均匀照度分布。由于LED所发出的光全部被收集、均匀分布到积分棒镜的出射端面上，故该出射端面的光照度与LED的光通量成正比；用照度计或辐照度计测量出积分棒镜出射端面的光照度或辐照度，再乘以所述积分棒镜出射端面的面积即可得到被测LED的光通量或辐射通量。
用光通量已知的标准LED对系统进行校准后，可以消除反射镜和积分棒镜材料吸收的影响，实现LED的光通量或辐射功率的快速测量。
与传统方法相比较，上述解决方案具有以下显著优点：
(1)测量速度快、可实时测量；无需分布光度计法测量的空间分步扫描步骤；
(2)可在线测量，测量时只需将接收器罩在LED的发光头上即可马上得到读数，无需将LED从安装的基板上拆下再装到积分球的支架上；
(3)由于利用全反射原理，适用于从紫外到近红外的全波段；系统性能长期稳定性好，不随时间衰变；
(4)通过测量照度可以计算出光通量，可以实现绝对测量；
(5)体积小、重量轻、成本低。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1LED光通量测量装置的结构示意图
图2带空腔反射透镜的结构示意图
图3光学塑料压制的曲面、半孔全反射透镜示意图
图4正方形截面积分棒镜的形状示意图
图5光在全反射透镜及积分棒镜中的传播示意图
具体实施方式
在图1所示的装置示意图中，外壳5由金属铝或铜等制成，用于固定反射镜2、积分棒镜6及光照度或辐照度探头(8)。外壳5的内孔为与反射镜2和积分棒镜6相对应的形状，与反射镜2对应的部分为内锥形，与积分棒镜6对应的部分为正多边形。外壳5的外部形状可根据使用需要自由选择。内孔尺寸比积分棒镜稍大，内孔与积分棒镜6之间可以夹入支撑环4，使积分棒镜6与外壳5之间形成空气间隙，保证光在棒镜侧表面16发生全反射。三角形支撑环4的底边与外壳5相接触，其顶角与积分棒镜6的侧外表面线接触。
当光疏介质为空气时，发生全反射的条件为光的入射角 ，式中n为光密介质材料的折射率。常用K9光学玻璃的n为1.517，其所对应的临界角为θc＝41.2°。因为光是在积分棒镜6的侧表面16发生全反射，从LED 1的角度看，要使光线在棒镜6侧面16的入射角大于临界角θc，意味着LED 1发出的光线与光轴的夹角要小于90°-θc。为了使LED 1在整个半球内所发出的光全部在积分棒镜6内发生全反射，LED 1发出的光被分成两部分，出射方向与光轴夹角较小，比如小于45°的光直接射入积分棒镜6；出射方向与光轴夹角较大的光线被反射镜2反射后改变方向成为与光轴夹角小于45°的光线再进入积分棒镜6。射入积分棒镜6内的光在其侧壁16上全反射，与光轴夹角不同的光线在积分棒镜中发生全反射的次数也不相同。夹角较大的光线在棒镜6内发生全反射的次数多，发散角很小的光线则没有机会与棒镜6的侧壁16相交，直接从棒镜6的出射端15射出。光在积分棒镜6内发生不同次数的反射后，在棒镜的输出端15相互叠加形成照度均匀的输出面。
如图2所示，在我们的实施方案中反射镜2是在圆锥形透镜中间开孔制成的。圆锥斜面与光轴的夹角与其材料有关，我们所使用的材料为K9光学玻璃，其全反射临界角为θc＝41.2°。即圆锥斜面与光轴的夹角需要大于θc，以保证LED所发出的与光轴夹角为90°的光线在全反射面11上发生全反射。为了加工方便，在透镜沿光轴方向开有一个通孔，用于放置被测LED。这是最简单的一种形式。全反射面11也可以是沿光轴截面为多项式函数的轴对称曲面。如果采用塑料材料压制，也可制成与LED对应的半孔，孔的底面为向LED方向凸起的凸面，具有准直作用，如图3所示曲面反射镜的12。反射镜2的全反射面11也可制作成沿光轴截面为阶梯状，详细结构可参见美国专利5404869等。
图4是正方形积分棒镜6的示意图。积分棒镜6由K9光学玻璃制作而成，长100mm，入射、出射端面均为正方形。各表面均经精密光学抛光。反射镜2的出射面13与积分棒镜6的入射面14接合在一起。如采用光学塑料压制，也可将反射镜2与积分棒镜6制作成一个整体组件。积分棒镜6也可以是正三角形或正六边形等多边形棒镜。
图5是LED所发出的与光轴夹角较小的光不经积分棒镜反射直接出射；LED发出的与光轴夹角较大但小于45°的光不经反射镜2反射直接射入积分棒镜6，在积分棒镜6的侧面16反射后出射；以及LED发出的与光轴夹角大于45°的光经反射镜2准直后射入积分棒镜6三种情况下光线传播的示意图。
如图1所示，与积分棒镜6出射端15紧密相连的是光照度或辐照度探头8的接收面7。光照度或辐照度探头与外壳5固定在一起。
测量装置有两种标定方法：一种是将光照度探头8与光电流测量、采集单元10的组合标定成光照度计，实际测量积分棒镜6的出射端15的面积。出射面15的照度测量值与前述出射端15面积的乘积即为被测LED的光通量。辐射通量按同样步骤标定。另一种是相对测量法，将一个已知光通量的LED放入空腔3中进行测量，按照LED光通量的大小调整光电流测量、采集单元10的电路放大倍率，使显示单元10所显示的数值与被测LED的光通量相一致，完成测量装置的定标。
测量时LED 1的发光部分插入到反射镜2的中心孔3处，用电缆9将光照度或辐照度探头8与光电流测量、采集单元10连接在一起，打开电源开关即可直接读出被测LED的光通量。
本发明不局限于上述具体实施方式，只要利用反射镜对LED的发光进行准直、集光，利用棒状积分透镜对收集到的光通量进行积分产生均匀照度分布，然后通过用光照度或辐照度计测量棒镜出射面的照度来实现光通量测量的方法，均在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种测量发光二极管光通量或辐射功率的装置，由光照度或辐照度测量探头和与前述测量探头的输出端通过电缆连接的光电流测量、采集显示单元组成，其特征是：所述测量装置还有一个反射镜(2)，该反射镜(2)朝向被测发光二极管(1)一侧中心处有一个与被测发光二极管(1)对应的空腔(3)，测试时被测发光二极管(1)位于此空腔(3)内；垂直于光轴的截面为正多边形的积分棒镜(6)的入射端(14)与所述反射镜(2)的出射端(13)接合在一起；所述光照度或辐照度测量探头(8)的接收面(7)为平面并与前述积分棒镜(6)的出射面(15)相接触；支撑环(4)位于积分棒镜(6)与镜筒(5)之间用于固定积分棒镜(6)和反射镜(2)。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述反射镜(2)为高透过率光学材料制作的透镜，其朝向发光二极管的镜面(11)为全内反射面，其出射端面(13)为与积分棒镜(6)入射端(14)接合在一起的平面。朝向发光二极管镜面的全内反射面(11)可以为锥面、阶梯面或沿轴截面为多项式函数的曲面；反射镜(2)出射端面(13)的直径小于或等于积分棒镜(6)入射端面(14)多边形内切圆的直径。
3.根据权力要求1所述的测量装置，其特征在于：所述积分棒镜(6)为高透过率光学材料制成的实心、棒状结构；积分棒镜(6)的表面为精密抛光的光学面，积分棒镜(6)可以为其入射端(14)和出射端(15)面积相等的直棒，也可以为前述面积不相等的锥形棒；该积分棒镜(6)的长度大于入射端面(14)对角线尺寸的2倍，小于该对角线长度的40倍。
4.一种测量发光二极管光通量或辐射通量、辐射功率的方法，其特征是：所述测量方法先用一个反射镜(2)准直发光二极管(1)发出的与光轴夹角较大的光线，然后将准直后的光与发光二极管发出的与光轴夹角较小的光线一起射入具有垂轴截面为正多边形的积分棒镜(6)进行混合积分；用照度计或辐照度计测量出积分棒镜(6)出射端面(15)的光照度或辐照度，再乘以所述积分棒镜(6)出射端面(15)的面积得到被测发光二极管(1)的光通量或辐射通量。
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