CN102213615B - Led光学参数综合测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED光学参数综合测试装置，属于光学参数测量技术领域。其技术特点是，装有一维移动平台的水平基座一端固定带光纤探头和标准光度探头的弧形夹具，另一端固定由弧线光纤阵和线阵CCD构成的弧形集光器，放置被测LED的旋转装夹台安装在一维移动平台上；光纤探头采集的光信息通过光谱仪转换成光谱带后送入计算机，标准光度探头和线阵CCD的输出通过数据采集单元送入计算机，计算机通过测量软件对测量数据进行相应的处理和运算，最终获得被测LED的发光特性。本发明解决了在一台测量仪器上实现对LED的综合测量问题，具有操作简单、结构紧凑，测量快速、易于实现等特点。

Description

LED光学参数综合测试装置

技术领域

本发明属于光学测试领域，主要涉及一种发光器件的光学参数测试装置，尤其涉及一种可测试发光二极管的发光强度、光强分布、光谱分布及色度等参数的综合测试装置。

背景技术

发光二极管(LED)是一种能发光的半导体二极管，当注入PN结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发光，是一种直接把电能转化为光和辐射能的发光器件。LED相对白炽灯等传统光源具有功耗小、寿命长、体积小、重量轻、工作电压低、发光响应时间短，光色纯等一系列特性，目前已广泛应用在指示灯、显示屏、交通信号灯等诸多领域。随着高效、大功率LED技术的不断突破，LED已经成为一种理想的固体照明光源。

LED的主要光学参数包括发光强度、光强空间分布、总光通量、光谱及色度参数。目前大多数实验室对LED各光学参数的测量大多是逐项单独测试。因此，若要对LED光学性能进行综合评估需要耗费大量的时间，尤其是光强空间分布测试。

目前LED光强分布测试一般采用两种方法：一是被测LED位置固定并用单元探测器围绕被测LED中心旋转；二是探测器位置固定，被测LED旋转。这两种方法均基于空间逐点测量方法，即被测LED或单元探测器旋转一周才能获取被测LED的一条光强分布二维曲线。若要获取整个空间的三维分布数据需要耗费大量的时间。公开号CN 101566500A的中国发明专利公开了一种LED光源光强空间分布特性测试装置及测试方法，该专利用多个光度探测单元取代一个光度探测器依次进行多点同步测试而获得LED光强空间分布。该专利由基座、测试样品座、光度探测单元、探测器支架、测试电路、计算机和测试软件组成。其在探测器支架上安装了15个或15个以上的光度探测单元，每个光度探测单元均通过传输线依次与光电转换电路、信号采集电路一一对应相连，最后和计算机相连。该测试方法需要测试电路中的光电转换电路和信号采集电路数目与光度探测单元的数目相同。由于光度探测器接收面较大，不能密集排列，且随着探测单元的增多，相应的光电转换电路和信号采集电路也要增多，因此该方法测量LED光强分布时，不利于实现对LED光强空间信息的密集采样，且电路冗余，不利于实际使用。

LED总光通量的测量目前主要有两种方法，一种是采用积分球，另一种是采用分布式光度计积分的方法。采用积分球测量总光通量的原理是将被测LED通过与已知总光通量的标准光源进行比对以获得被测LED的总光通量。由于LED是一种方向性很强的光源，采用积分球测量误差较大，且不好寻找与之对应的标准LED作参考。采用分布式光度计测量总光通量的原理是基于标准探测器对被测LED发光空间照度分布的绝对测量，然后通过积分的方法获取被侧LED总光通量。虽然该方法可以保证结果非常准确，但是测量时间较长，程序复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有LED光学参数测量装置只能对LED单一光学参数进行测试的不足，提供一种LED光学参数综合测试装置，该装置能够对LED发光强度、光强空间分布、总光通量、光谱及色度参数进行快速测试。

为解决上述技术问题，本发明提供的测试装置包括光源夹持调节机构、弧形接收组件、采集与控制组件和计算机，所述光源夹持调节机构包括水平基座、一维移动平台和含有夹持调节机构及电控旋转台的旋转装夹台，一维移动平台安装在水平基座上，旋转装夹台安装在一维移动平台上，被测LED通过夹持调节机构固定于电控旋转台的中心；所述弧形接收组件包括弧形夹具、弧形集光器、线阵CCD，弧形夹具为四分之一圆周金属板，其一端通过第一定位调节器安装在所述水平基座上，另一端装有光纤探头和标准光度探头，光纤探头和标准光度探头的中轴线均指向弧形夹具的圆心，弧形集光器由弧形阵列基板和多根光纤组成，弧形阵列基板为四分之一圆周硅板且硅板板宽中心线上均布有多个微型通孔，弧形阵列基板的一端通过第二定位调节器安装在所述水平基座上，每根光纤的球面端对应固连在一个微型通孔中，且球面圆心与微型通孔内侧端面的圆心重合，光纤的另一端面均匀排列在线阵CCD的光敏面上并用胶固定；当测量LED的光谱和发光强度时，被测LED位于弧形夹具的圆心处，光纤探头将被测LED的发光信号送入采集与控制组件，标准光度探头将被测LED的轴向发光信号送入采集与控制组件；当测量LED的光强分布时，被测LED位于弧形集光器的圆心处；光纤的球面端将被测LED发光空间90°范围内的发光信号会聚到线阵CCD的光敏面上而形成光带，线阵CCD对光带信息进行转换后送入采集与控制组件；所述采集与控制组件包括光谱仪、数据采集单元和控制单元，光谱仪接收所述光纤探头输出的光信号并将其转换成光谱信息送入所述计算机，数据采集单元采集所述标准光度探头和所述线阵CCD的输出信号并将采集信号送入所述计算机；控制单元在所述计算机给出的指令控制下，完成对电控旋转台和一维移动平台的驱动；所述计算机装有各自独立运行的发光强度测量模块、光谱及色度测量模块、光强空间相对分布测量模块：发光强度测量模块根据输入的测量条件向所述控制单元发送控制指令，以使被测LED移动到所述弧形夹具的圆心处，根据所述标准光度探头给出的探测信息和预制在计算机中的照度响应度数据，计算出被测LED的法向发光强度并进行相应的输出；光谱及色度测量模块根据输入的测量条件向所述控制单元发送控制指令，以使被测LED移动到所述弧形夹具的圆心处，根据所述光谱仪测得的光谱数据计算被测LED光谱峰值波长、光谱带宽、色坐标和色温并进行相应的输出；光强空间相对分布测量模块根据输入的测量条件向所述控制单元发送控制指令，使被测LED移动到所述弧形集光器的圆心处并按照设置的角度间隔、转动速度逐点接收所述线阵CCD的输出信息，逐条绘制出灰度曲线，直到所述电控旋转台旋转一周结束曲线绘制，并输出被测LED极坐标下的光强三维空间分布。

在本发明中，所述计算机中还包括光强空间绝对分布测量模块，该模块根据输入的测量条件，依次调用所述发光强度测量模块和所述光强空间相对分布测量模块，根据发光强度测量模块获得的法向光强将光强空间相对分布测量模块获得的光强三维空间分布转换成被测LED的发光强度绝对分布并进行相应输出。

在本发明中，所述计算机中还包括总光通量测量模块，该模块根据输入的测量条件，依次调用所述发光强度测量模块和所述光强空间相对分布测量模块，根据发光强度测量模块获得的法向光强将光强空间相对分布测量模块获得的光强三维空间分布转换成照度绝对分布并进行积分计算，获得被测LED的总光通量并进行相应输出。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

1)本发明采用装有光纤探头和标准光度头的弧形夹具和弧形集光器，可将LED的光谱、发光强度、光强分布的测试集成在同一水平基座上完成，即通过水平基座上的一维移动平台实现被测LED在光谱、发光强度和光强分布测试之间的快速切换。与现有技术相比，本发明装置整体结构紧凑，布局合理，有效利用了共享资源，避免了被测LED在进行多种光学特性评估时带来的多次插拔和位置的反复调整，实现了在同一平台上对LED多种光学参数的准确测量。

2)在本发明中，采用电控旋转台、线阵CCD和弧形集光器可对LED发光空间光强分布信息进行快速密集采样，从而实现了LED光强空间分布以及总光通量的快速测量。与现有技术相比，信息量丰富，操作简单、测量过程快速且测量结果准确可靠。

附图说明

图1是本发明LED光学参数综合测试装置的组成示意图。

图2是基座及弧形接收组件关系示意图。

图3是弧形微孔阵列基板的立体示意图。

图4是弧形微孔阵列的剖视图。

图5是综合测试装置中计算机的主控流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

根据图1所示，LED光学参数综合测试装置的优选实施例包括光源夹持调节机构、弧形接收组件、采集与控制组件和计算机17。光源夹持调节机构包括水平基座1、一维移动平台2和含有夹持调节机构5-2及电控旋转台5-1的旋转装夹台5。一维移动平台2安装在水平基座1上，旋转装夹台5安装在一维移动平台2上，被测LED6通过夹持调节机构5-2固定于电控旋转台5-1的中心。

一维移动平台2选用北京卓立汉光仪器有限公司KSAXXX-11/12系列精密电控平移台，用于带动旋转装夹台5沿水平基座1移动，使旋转装夹台5到达准确的测试位置。夹持调节机构5-2用于被测LED的夹持固定、电气连接以及通过俯仰和两维平移运动实现被测LED6的位置调整，能够使LED的发光端面位于水平面内。电控旋转台5-1选用北京卓立汉光仪器有限公司的RSA系列电控旋转台，在计算机17的控制下，能够实现在水平面内的旋转。

根据图2所示，弧形接收组件包括弧形夹具7、弧形集光器、线阵CCD12，其主要功能是探测和采集被测LED6的发光信号。弧形夹具7为四分之一圆周金属板，其一端通过第一定位调节器3安装在所述水平基座1上，第一定位调节器3为螺旋升降机构，可对弧形夹具7高度进行微调。另一端装有光纤探头10和标准光度探头11，光纤探头10和标准光度探头11的中轴线均指向弧形夹具7的圆心O′，可同时将被测LED6的发光信号送入采集与控制组件，光纤探头10为通用光纤光谱仪的标准配件，标准光度探头11选用杭州远方公司的LED专用标准光度探测器。弧形夹具7顶部末端带有装夹调节装置，用于安装标准光度探头11，并可通过紧固位置变化调节标准光度探头11到被测LED6发光端面中心的距离，使其满足CIE(国际照明委员会)规定的LED发光强度测量标准条件(CIE标准条件A：316mm，CIE标准条件B：100mm)。弧形集光器由弧形阵列基板8和多根光纤9组成，弧形阵列基板8为四分之一圆周硅板且硅板板宽中心线上均布有多个微型通孔8-1(参见图3)。弧形阵列基板8的微型通孔8-1可通过制版、光刻、腐蚀等工艺处理后刻蚀出来，各微型通孔8-1的轴线均指向弧形微孔阵列基板8的圆心O。弧形阵列基板8的一端通过第二定位调节器4安装在所述水平基座1上，第二定位调节器4与第一定位调节器3结构相同，可对弧形阵列基板8的高度进行微调。每根光纤9的一端面加工成球面(参见图4)，类似于凸透镜，对光起会聚作用，球面一端对应固连在一个微型通孔8-1中且球面圆心与微型通孔8-1内侧端面的圆心重合。光纤9的另一端面均匀排列在线阵CCD12的光敏面上并用胶固定。当测量LED的光谱和发光强度时，被测LED6位于弧形夹具7的圆心O′处，光纤探头10将被测LED6的发光信号送入采集与控制组件，标准光度探头11将被测LED6的轴向发光信号送入采集与控制组件；当测量LED的光强分布时，被测LED6位于弧形集光器的圆心O处；光纤9的球面端头将被测LED6发光空间90度范围内的发光信号会聚到线阵CCD12的光敏面上而形成光带，线阵CCD12对光带信息进行转换后送入采集与控制组件。

采集与控制组件包括光谱仪13、数据采集单元15和控制单元16，光谱仪13接收光纤探头10输出的光信号并将其转换成光谱信息送入计算机17。光谱仪13选用美国海洋光学公司的USB4000-UV-VIS型光纤光谱仪，工作波长范围为200nm～850nm。数据采集单元15采集标准光度探头11和线阵CCD12的输出信号并将采集信号送入计算机17。数据采集单元15选用美国NI公司的USBX系列多功能数据数据采集设备，内部带有放大器、A/D变换器和数据存储器，其功能是采集标准光度探头11和线阵CCD12的输出信号；控制单元16为常用的驱动电路，在计算机17给出的指令控制下，完成对电控旋转台5-1和一维移动平台2的驱动。

安装在计算机17中的测量软件包的主要工作流程参见图5，测量软件包根据功能划分为发光强度定标模块、光谱及色度测量模块、光强空间相对分布测量模块、总光通量测量模块和光强空间绝对分布测量模块，各模块可以独立运行，以对相应的测量信息进行处理和运算，最终获得被测LED16的光谱、色度参数、发光强度及其空间分布以及光通量等。

发光强度测量模块由功能命令、平台移动、采集计算、结果显示四个单元组成。功能命令包括“开始测试”、“停止测试”、“退出”按钮和测量条件选项框。在界面上测量条件选项框中选择测试所需的CIE标准条件A或B；平台移动单元发送指令给控制单元16使一维移动平台2将被测LED6移动到达位置O′；调节标准光度探头11位置使得位置O′至标准光度探头11接收面的距离满足选择的CIE标准条件A或者B。调整完毕后，点击功能命令中的“开始测试”按钮，采集计算单元随即发送指令给数据采集单元15，将标准光度探头11获得的信号放大和数字化后传输给计算机，并利用计算机中事先存储的标准光度探头11的照度响应度数据计算出被测LED的法向发光强度值；结果显示单元将被测LED的法向发光强度值在计算机显示屏的界面结果显示框中显示。

光谱及色度测量模块由功能命令、平台移动、采集计算、结果显示四个单元组成。功能命令包括“开始测试”、“停止测试”、“退出”和“打印”按钮；点击“开始测试”按钮，平台移动单元发送指令给控制单元16使一维移动平台2将被测LED6移动到达位置O′；采集计算单元随即发送指令给光谱仪13，将光谱仪13测得的光谱数据传输给计算机，并通过光谱数据根据相应的公式计算出光谱峰值波长、光谱带宽、色坐标、色温。结果显示单元在计算机显示屏的界面结果显示框中以图形的形式显示被测LED的光谱分布曲线，以列表的形式显示光谱峰值波长、光谱带宽、色坐标、色温数值。

光强空间相对分布测量模块由功能命令、平台控制、采集计算、结果显示四个单元组成。功能命令包括“开始测试”、“停止测试”、“退出”按钮。点击“开始测试”按钮后，平台控制单元发送指令给控制单元16，使一维移动平台2将被测LED6移动到达位置O并让电控旋转台5-1按照设置的角度间隔、转动速度转动；采集计算单元随即发送指令给数据采集单元15，逐点接收线阵CCD12获得的输出信息。电控旋转台5-1每旋转一个角度，数据采集单元15便记录下对应的测量数据并传输给计算机保存；电控旋转台5-1旋转完一周后，计算机结束曲线绘制，结果显示单元在计算机显示屏的界面结果显示框中显示输出被测LED6在极坐标下的光强三维空间相对分布。

光强空间绝对分布测量模块由功能命令、计算、结果显示三个单元组成。功能命令包括“开始测试”、“停止测试”、“退出”按钮。点击“开始测试”按钮后，该模块依次调用发光强度测量模块和光强空间相对分布测量模块。调用完毕后，计算单元根据发光强度测量模块获得的法向光强将光强空间相对分布测量模块获得的三维空间上各点的相对光强值转换成绝对光强值。结果显示单元输出被测LED6在极坐标下的光强三维空间绝对分布。

总光通量测量模块由功能命令、计算、结果显示三个单元组成。功能命令包括“开始测试”、“停止测试”、“退出”按钮。点击“开始测试”按钮后，该模块依次调用发光强度测量模块和光强空间相对分布测量模块。调用完毕后，计算单元利用发光强度测量模块获得的法向光强和事先存储的标准光度探头11的照度响应度数据将光强空间相对分布测量模块获得的三维空间上各点的绝对光强值转换成照度值，再将空间各点的照度值在整个半球面上进行积分，积分的结果即为总光通量。结果显示单元在计算机显示屏的界面结果显示框中显示总光通量。

Claims (3)

1.一种LED光学参数综合测试装置，包括光源夹持调节机构、采集与控制组件和计算机(17)，其特征在于：还包括弧形接收组件，所述光源夹持调节机构包括水平基座(1)、一维移动平台(2)和含有夹持调节机构(5-2)及电控旋转台(5-1)的旋转装夹台(5)，一维移动平台(2)安装在水平基座(1)上，旋转装夹台(5)安装在一维移动平台(2)上，被测LED(6)通过夹持调节机构(5-2)固定于电控旋转台(5-1)的中心；所述弧形接收组件包括弧形夹具(7)、弧形集光器、线阵CCD(12)，弧形夹具(7)为四分之一圆周金属板，其一端通过第一定位调节器(3)安装在所述水平基座(1)上，另一端装有光纤探头(10)和标准光度探头(11)，光纤探头(10)和标准光度探头(11)的中轴线均指向弧形夹具(7)的圆心(O′)，弧形集光器由弧形阵列基板(8)和多根光纤(9)组成，弧形阵列基板(8)为四分之一圆周硅板且硅板板宽中心线上均布有多个微型通孔(8-1)，弧形阵列基板(8)的一端通过第二定位调节器(4)安装在所述水平基座(1)上，每根光纤(9)的球面端对应固连在一个微型通孔(8-1)中，且球面圆心与微型通孔(8-1)内侧端面的圆心重合，光纤(9)的另一端面均匀排列在线阵CCD(12)的光敏面上并用胶固定；当测量LED的光谱和发光强度时，被测LED(6)位于弧形夹具(7)的圆心(O′)处，光纤探头(10)将被测LED(6)的发光信号送入采集与控制组件，标准光度探头(11)将被测LED(6)的轴向发光信号送入采集与控制组件；当测量LED的光强分布时，被测LED(6)位于弧形集光器的圆心(O)处；光纤(9)的球面端将被测LED(6)发光空间90°范围内的发光信号会聚到线阵CCD(12)的光敏面上而形成光带，线阵CCD(12)对光带信息进行转换后送入采集与控制组件；所述采集与控制组件包括光谱仪(13)、数据采集单元(15)和控制单元(16)，光谱仪(13)接收所述光纤探头(10)输出的光信号并将其转换成光谱信息送入所述计算机(17)，数据采集单元(15)采集所述标准光度探头(11)和所述线阵CCD(12)的输出信号并将采集信号送入所述计算机(17)；控制单元(16)在所述计算机(17)给出的指令控制下， 完成对电控旋转台(5-1)和一维移动平台(2)的驱动；所述计算机(17)装有各自独立运行的发光强度测量模块、光谱及色度测量模块、光强空间相对分布测量模块：发光强度测量模块根据输入的测量条件向所述控制单元发送控制指令，以使被测LED(6)移动到所述弧形夹具(7)的圆心(O′)处，根据所述标准光度探头(11)给出的探测信息和预制在计算机(17)中的照度响应度数据，计算出被测LED(6)的法向发光强度并进行相应的输出；光谱及色度测量模块根据输入的测量条件向所述控制单元发送控制指令，以使被测LED(6)移动到所述弧形夹具(7)的圆心(O′)处，根据所述光谱仪(13)测得的光谱数据计算被测LED(6)光谱峰值波长、光谱带宽、色坐标和色温并进行相应的输出；光强空间相对分布测量模块根据输入的测量条件向所述控制单元发送控制指令，使被测LED(6)移动到所述弧形集光器的圆心(O)处并按照设置的角度间隔、转动速度逐点接收所述线阵CCD(12)的输出信息，逐条绘制出灰度曲线，直到所述电控旋转台(5-1)旋转一周结束曲线绘制，并输出被测LED(6)极坐标下的光强三维空间分布。

2.根据权利要求1所述的LED光学参数综合测试装置，其特征在于：所述计算机中还包括光强空间绝对分布测量模块，光强空间绝对分布测量模块根据输入的测量条件，依次调用所述发光强度测量模块和所述光强空间相对分布测量模块，根据发光强度测量模块获得的法向光强将光强空间相对分布测量模块获得的光强三维空间分布转换成被测LED(6)的发光强度绝对分布并进行相应输出。

3.根据权利要求1或2所述的LED光学参数综合测试装置，其特征在于：所述计算机中还包括总光通量测量模块，总光通量测量模块根据输入的测量条件，依次调用所述发光强度测量模块和所述光强空间相对分布测量模块，根据发光强度测量模块获得的法向光强将光强空间相对分布测量模块获得的光强三维空间分布转换成照度绝对分布并进行积分计算，获得被测LED(6)的总光通量并进行相应输出。 

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