CN102589683B - 一种发光二极管光通量测量的球形光度计和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光二极管（LED）光通量测量的球形光度计及其测量方法。所述球形光度计包括光度计、球体和挡屏；在球体上开一个直径略大于50mm的圆孔，用于安装活动球壁或精密光阑；光度计的探测器、圆孔位于球体赤道上；还可在球体赤道上与探测器对称的位置安装辅助光源；球体内壁、活动球壁内壁以及挡屏喷涂白色中性漫反射材料；球体的上部和下部各开有一个开孔，用于安装LED的固定支杆。通过安装或不安装活动球壁、精密光阑以及支杆，改变被测或标准LED和挡屏的安装位置，分别实现CIE127号文件规定的LED的4π空间、2π空间和部分光通量的测量。本发明的球形光度计和测量方法具有集成度高、节约空间、性价比高、使用方便和效率高等优点。

Description

一种发光二极管光通量测量的球形光度计和测量方法

技术领域

本发明属于光通量测量领域，涉及一种测量发光二极管（以下简称LED）的光通量的装置与方法。尤其涉及一种可满足国际照明委员会出版物（CIE127）所规定的测量LED光通量的相对测量装置和测量方法。 

背景技术

光通量是表征光源发光特性最重要的参数之一。光通量的测量有两种方法：一种是绝对测量方法，用分布光度计测量被测光源在空间各方向的发光强度，积分计算得到光通量；另一种是相对测量方法，使用球形光度计用已知光通量的标准光源与被测光源进行比较测量。球形光度计由光度计、球体和挡屏等组成。球体是一个球形空腔，内壁涂有漫反射层，光源所发出的光经球壁多次漫反射后，使整个球壁上各点的反射照度相同，故球壁上的光度计的探测器所测得的光电流相对值（简称光电流值）正比于光源的光通量。当被测光源与标准光源的吸收不同时，使用辅助光源进行吸收修正因素的测量。 

CIE127号文件规定了三种形式的球形光度计，通过三个球形光度计分别实现三种几何条件的光通量测量，见附图1。其中，图1(a)是用于4π空间的光通量的测量，适合于前部和后部均发光的LED；图1(b)是用于2π空间的光通量的测量，适合于后部不发光只有前部发光的LED；图1(c)是部分光通量的测量，用于测量LED在某一立体角之内的光通量。 

实际测量中，针对LED的发光特点和应用场合的不同，需要分别选用上述图1(a)、1(b)、1(c)三种球形光度计中的一种进行LED光通量的测量。校准检测实验室要开展LED光通量的测量需要配置三个积分球分别实现三种几何形式测量，从而占用较大空间，增加了成本。 

因此有必要提供一种球形光度计，用一个球形光度计实现CIE127号文件规定的三种几何形式的LED光通量测量，从而节约空间，降低成本。 

发明内容

在一个方面，本发明提供一种发光二极管光通量测量的球形光度计，包括光度计、球体和挡屏，所述光度计包含光度探测器，所述球体是一个球形空腔；其特征是，所述球体上开一个直径略大于50mm的圆孔，此处安装活动球壁或精密光阑，光度计的探测器、圆孔位于球体赤道上，光度计的探测器中心与圆孔中心的圆心角相距±； 

所述“直径略大于50mm的圆孔”的含义是指圆孔的直径大于50mm且小于55mm，以便安 装开口直径为50mm的精密光阑，优选直径为52mm的圆孔。 

所述活动球壁与球体上的圆孔紧密配合并与球体内部相接，活动球壁与球体的曲率半径相同；当活动球壁安装于圆孔处时，用于4π空间或2π空间的光通量的测量； 

所述球体的内壁、活动球壁的内壁以及挡屏均匀喷涂白色中性的漫反射材料； 

所述精密光阑带有刀口，开口直径为50mm，椭圆度小于5μm，刀口开口小的一侧紧贴球壁，与圆孔紧密配合；当精密光阑安装于圆孔处时,用于部分光通量的测量； 

所述球体的上部和下部各开有一个开孔，用于安装LED的固定支杆，用螺钉将支杆一端锁紧在球体上，另一端位于球体中心用于安装LED，支杆为中空以便LED的供电导线穿过；当支杆安装时，用于4π空间的光通量的测量； 

被测或标准LED安装于球的中心、侧壁或外部三种位置中的一种，所述挡屏安装于与被测或标准LED相应的三种位置中的一种；通过安装或不安装活动球壁、精密光阑及支杆，改变被测或标准LED和挡屏的安装位置，分别实现CIE127号文件规定的LED的4π空间、2π空间和部分光通量的测量。 

本发明中，所述球体的直径根据光源的功率和几何尺寸而定，可以是（0.3-2.0）m，一般选用0.5m、1.0m、1.5m或2.0m。 

所述活动球壁可以选用与球体同一材料的钢或铝材料制备，厚度(3-5)mm;拆装方便、光密闭性良好；活动球壁的内壁与球体同时喷涂。 

所述精密光阑要求具有刚性不易变形，优选刚性优质硬金属材料加工，比如铬锰钢、钼等。 

所述球体的内壁、活动球壁的内壁以及挡屏喷涂的白色中性均匀漫反射材料可以是硫酸钡或聚四氟乙烯。 

所述开孔的直径通常为（5-15）mm。所述支杆可以是各种材质，可以是各类金属材料，比如铝、铜等，其上均匀喷涂白色中性漫反射材料；也可由聚四氟乙烯加工而成，其表面具有漫反射性质，光谱反射比与球内壁接近，并且在（380-780）nm的光谱响应平坦。 

所述光度计（1）的探测器可由光谱辐射计替代,其优点是还可用于光源的颜色参数的测量。所用光谱辐射计的波长范围为（380-780）nm；扫描间隔为(2-5)nm；光谱辐射计的入射狭缝靠近光纤的一端，光纤的另一端安装到光度计的探测器位置。 

当用于测量LED的4π空间的光通量时，被测或标准LED按照使用需要选用如下两种方式的一种进行测量：采用灯座在上、光源在下方式，此时支杆固定在球体的上部；采用灯座在下、光源在上的方式，此时支杆固定在球体的下部。 

当用于测量LED的部分光通量时，被测或标准LED安装在球外精密光阑中心的法线方向上，距离光阑的距离d根据所测锥角x°由d=25/tan(x/2)计算得到。 

作为一种优选的实施方案，在所述球体赤道上与所述光度计的探测器对称的位置安装辅助光源。许多情形下，被测光源与标准光源的大小和玻壳的透明度不同，当进行测量LED的2π空间和4π空间的光通量时可使用辅助光源进行吸收修正因数测量。 

在另一方面，本发明还提供一种发光二极管光通量的测量方法，包括如下步骤： 

（A）根据CIE127号文件规定的LED的4π空间、2π空间或部分光通量测量三种形式的一种，将标准LED、挡屏安装在合适的位置，安装或不安装活动球壁、精密光阑及支杆，可以是（A1）-（A3）的任意一种方式 

（A1）测量4π空间的光通量时，选择灯座在上光源在下或者灯座在下光源在上的方式，用螺钉将支杆一端锁紧在球体上，位于球体中心的另一端安装标准LED，球体上的圆孔处安装活动球壁，活动球壁与球体内接，并安装相应挡屏； 

（A2）测量2π空间的光通量时，在球的侧壁位置安装标准LED，球体上圆孔处安装活动球壁，活动球壁与球体内接，并安装相应挡屏； 

（A3）测量部分光通量时，在球的外部位置安装标准LED，不安装活动球壁，球体上圆孔处安装精密光阑，并安装相应挡屏； 

（B）点燃标准LED，将标准LED调整到额定工作电流，待其发光稳定后从光度计读取光电流值i_s； 

（C）将标准LED更换为被测LED，将被测LED调整到额定工作电流，待其发光稳定后从光度计读取光电流值i_t； 

（D）用式Ф_t=Ф_s（i_t/i_s）计算出被测LED的光通量，其中Ф_t为被测LED的光通量，Ф_s为已知的标准LED的光通量，i_s为标准LED的光电流值，i_t为被测LED的光电流值。 

本发明还提供一种优选的发光二极管光通量的测量方法，测量2π或4π空间的光通量时，进一步包括在标准LED与被测LED吸收不同的情况下进行吸收修正的步骤（E）：在光源的安装位置上装上一支标准LED不点燃，点燃辅助光源，待辅助光源发光稳定后读取光电流值A_s；取下标准LED，在相同位置上装上被测LED不点燃，同样读取光电流值At；则该支被测LED的吸收修正因子α=A_s/A_t，修正后的测量值Φ=Φ_t·α，其中Φ_t为所述步骤(D)获得的被测LED的光通量。 

本发明测量方法中，当测量LED的部分光通量时，所述被测或标准LED安装在球外精密光阑中心的法线方向上，距离精密光阑的距离d根据所测锥角x°由d=25/tan(x/2)计算 得到。 

本发明测量方法中，当测量LED的4π空间的光通量时，所述被测或标准LED按照使用需要选用如下两种方式的一种进行测量：采用灯座在上、光源在下方式，此时支杆固定在球体的上部；采用灯座在下、光源在上的方式，此时支杆固定在球体的下部。 

本发明的球形光度计，通过安装或不安装活动球壁、精密光阑及支杆，改变被测或标准LED和挡屏的安装位置，使用同一个球形光度计可分别实现CIE127号文件规定的LED的4π空间、2π空间和部分光通量的测量，具有集成度高、节约空间、性价比高、使用方便和效率高等优点。 

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显 

图1是用于LED测量的CIE推荐的三种形式球形光度计，其中1(a)是测量4π空间的光通量，1(b)是测量2π空间的光通量，1(c)是测量部分光通量。 

图2是本发明优选的可同时用于三种形式LED光通量测量的球形光度计的基本图,其中2(a)是外形的立体图，2(b)是探测器所在大圆的剖视图，2(c)是赤道面剖视图。 

图3是本发明优选的球形光度计用于4π空间光通量测量的示意图，图3(a)灯座在上光源在下的测量方法，图3(b)是灯座在下光源在上的测量方法。 

图4是本发明优选的球形光度计用于2π空间光通量测量的示意图。 

图5是本发明优选的球形光度计用于部分光通量测量的示意图。 

图6是部分光通量定义的示意图。 

图中：1-光度计；2-活动球壁；3-辅助光源；4,5,6-被测或标准LED；7-第一挡屏；8-第二挡屏；9-第三挡屏；10-开孔；11-球体；12-精密光阑，13-圆孔；14-螺钉；15-支杆。 

具体实施方式

在下面描述和图解本发明的示例性实施方案。该方案已包括在球形光度计及其使用方法中。当然，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，下面讨论的优选实施方案在本质上是示例性的，并且可以在没有偏离本发明的范围和精神的情况下被改变。但是，为了清楚和准确，下面讨论的所述示例性实施方案可以包括优选的步骤、方法和特征，本领域普通技术人员将可以认识到，这些优选的步骤、方法和特征不是落在本发明范围内的必要条件。 

下面参照附图2至图6进行详细描述。 

如图2（a）-2（c）所示，球形光度计包括光度计1，直径0.5m的球体11，第一挡屏 7、第二挡屏8或第三挡屏9，球体11上开一个直径为52mm的圆孔13，圆孔13处用于安装活动球壁2或者精密光阑12，光度计1的探测器、辅助光源3、圆孔13位于球体11赤道上，光度计1的探测器中心与圆孔13中心的圆心角相距。 

在球体11的上部和下部各开一个直径10mm的开孔10，用于安装固定被测或标准LED5的铝支杆15，支杆15用螺钉14锁紧在球体11上。测量LED的4π空间的光通量时，需要安装支杆15。 

活动球壁2采用厚度4mm的与球体相同材料的金属铝，活动球壁2与球体11上的圆孔13紧密配合并与球体内部相接，两者曲率半径相同。精密光阑12采用铬锰钢材质，开口直径为50mm，椭圆度为±3μm，开口处加工成刀口型，刀口开口小的一侧紧贴球壁，与圆孔13紧密配合。用于测量LED的4π空间或2π空间的光通量时需要安装活动球壁2，不安装精密光阑12；用于测量部分光通量时，需要安装精密光阑12，不安装活动球壁2。 

球体11的内壁，活动球壁2的内壁，第一挡屏7、第二挡屏8或第三挡屏9，以及支杆15同时均匀地喷涂硫酸钡。 

在球体11赤道上与光度计1的探测器对称的位置安装辅助光源3。 

具体测量操作时，将球形光度计安放平稳，使光度计1的探测器安装到球体11上，其探测面与球体11相接，选择第一挡屏7、第二挡屏8、第三挡屏9中的一个安装在球内，其余两个不安装，点燃与之对应的被测或标准LED，进行光通量的测量。其中第一挡屏7对应被测或标准LED4，第二挡屏8对应被测或标准LED5，第三挡屏9对应被测或标准LED6。 

如图3（a）或3（ｂ）所示，球体11上的活动球壁2安装，与球体11内接，第二挡屏8安装，第一挡屏7、第三9不安装，用螺钉14将支杆15固定在球体的上部或下部，被测或标准LED5点燃，实现图1（a）所述4π空间的光通量的测量。 

如图4所示，球体11上的活动球壁2安装，与球体11内接，第一挡屏7安装，第二挡屏8、第三9不安装，被测或标准LED4点燃，实现图1（b）所述2π空间的光通量的测量。 

如图5所示，球体11上的精密光阑12安装，第三挡屏9安装，第一挡屏7、第二挡屏8不安装，被测或标准LED6点燃，实现图1（c）所述的部分光通量的测量。如图6所示，精密光阑的直径D=50mm，被测部分的锥角x°=90°根据d=(D/2)/[tan(x/2)]计算得到d=25mm。 

实施例1LED4π空间光通量的测量

如图3（a），将球形光度计安放平稳，光度计1的探测器安装到球体11上，其探测面与球体11相接；球体11上的活动球壁2安装，与球体11相接；安装第二挡屏8，第一挡屏7和第三挡屏9不安装；用螺钉14将支杆15固定在球体的上部；点燃标准LED5，调整标准LED5的位置使光度计1的探测器位于第二挡屏8投影在球体11内壁上的阴影的中心位置；将标准LED5调整到额定工作电流20mA，3分钟后，待其发光稳定从光度计1读取光电流值i_s=6362；熄灭标准LED5更换为被测LED5，并且标准LED5与被测LED5规格完全相同，待其发光稳定之后从光度计读取光电流i_t=6539；已知标准LED5的光通量为Ф _s=3.219lm，那么被测LED5的光通量Ф_t=Ф_s（i_t/i_s）=3.309lm。 

实施例2LED的2π空间的光通量测量

如图4，将球形光度计安放平稳，光度计1的探测器安装到球体11上，其探测面与球体11相接；球体11上的活动球壁2安装，与球体11相接；安装第一挡屏7，第二挡屏8和第三挡屏9不安装；安装标准LED4至球的侧壁上，点燃标准LED4；将标准LED4调整到额定的工作电流，3分钟后，待其发光稳定从光度计读取光电流值i_s=3082；熄灭标准LED4，更换为被测LED4，并且标准LED4与被测LED4规格完全相同，待其发光稳定之后从光度计读取光电流i_t=2764；已知标准LED4的光通量为Ф_s=1.560lm，那么被测LED4的光通量Ф_t=Ф_s（i_t/i_s）=1.399lm。 

实施例3LED部分光通量的测量

如图5，将球形光度计安放平稳，光度计1的探测器安装到球体11上，其探测面与球体11相接；球体11上的活动球壁2不安装，安装一个直径为50mm的精密光阑12；安装第三挡屏9，第一挡屏7和第二挡屏8不安装；安装标准LED6至球体11外部的光具座上，并移动使其距离精密光阑12的距离d=25mm的位置即测量锥角为，调整标准LED6的位置使其位于精密光阑12的中心的法线方向，即球壁开口的中心的法线方向；将标准LED6调整到额定的工作电流350mA，3分钟之后，待其发光稳定从光度计读取光电流值i_s=13880；熄灭标准LED6，更换为被测LED6，并且标准LED6与被测LED6的规格完全相同，待其发光稳定之后从光度计读取光电流i_t=14146；已知标准LED6的光通量为Ф_s=78.30lm，那么被测LED6的光通量Ф_t=Ф_s（i_t/i_s）=79.80lm。 

实施例4进行吸收修正的LED4π空间光通量的测量

如图3（a），将球形光度计安放平稳，光度计1的探测器安装到球体11上，其探测面与球体11相接；球体11上的活动球壁2安装，与球体11相接；安装第二挡屏8，第一挡屏7和 第三挡屏9不安装；用螺钉14将支杆15固定在球体的上部；点燃标准LED5，调整标准LED5的位置使光度计1的探测器位于第二挡屏8投影在球体11内壁上的阴影的中心位置；将标准LED5(透明壳)调整到额定工作电流20mA，3分钟后，待其发光稳定从光度计1读取光电流值i_s=6362；熄灭标准LED5更换为被测LED5（乳白壳），待其发光稳定之后从光度计读取光电流i_t=6423；熄灭被测LED5，点燃球内的辅助光源3，待辅助光源3发光稳定后读取此时的光电流值A_t=4642。取下被测LED5，在相同的位置上装上标准LED5（不点燃），读取光电流值A_S=4655；则该支被测LED5吸收修正因子α=A_s/A_t=1.00280。已知标准LED5的光通量为Ф_s=3.219lm，那么实施例1中被测LED5的光通量Ф=Ф_s（i_t/i_s）·α=3.259lm。 

由上述实施例可知，本发明的球形光度计在一个球内即可高效、方便、准确地实现对CIE127号文件规定的LED的4π空间、2π空间和部分光通量的测量，集成度高、节约空间、性价比高。 

Claims (11)

1.一种发光二极管光通量测量的球形光度计，包括光度计（1）、球体（11）和挡屏（7,8或9），所述光度计（1）包含光度探测器，所述球体（11）是一个球形空腔；其特征是，所述球体（11）上开一个直径略大于50mm的圆孔（13），此处用于安装活动球壁（2）或精密光阑（12），光度计（1）的探测器、圆孔（13）位于球体（11）赤道上； 

所述活动球壁（2）与圆孔（13）紧密配合并与球体内部相接，活动球壁（2）与球体（11）的曲率半径相同；当活动球壁（2）安装于圆孔（13）处时，用于4π空间或2π空间的光通量的测量； 

所述球体（11）的内壁、活动球壁（2）的内壁以及挡屏（7,8或9）均匀喷涂白色中性漫反射材料； 

所述精密光阑（12）带有刀口，开口直径为50mm，椭圆度小于5μm，刀口开口小的一侧紧贴球壁，与圆孔（13）紧密配合；当精密光阑（12）安装于圆孔（13）处时,用于部分光通量的测量； 

所述球体（11）的上部和下部各开有一个开孔（10），用于安装LED的固定支杆（15），用螺钉（14）将支杆（15）一端锁紧在球体（11）上，另一端位于球体（11）中心，用于安装LED，支杆（15）为中空以便LED（5）的供电导线穿过；当支杆（15）安装时，用于4π空间的光通量的测量； 

被测或标准LED（4,5或6）安装于球的中心、侧壁或外部三种位置中的一种，所述挡屏（7,8或9）安装于与被测或标准LED（4,5或6）相应的三种位置中的一种；通过安装或不安装活动球壁（2）、精密光阑（12）及支杆（15），改变被测或标准LED（4,5或6）和挡屏（7,8或9）的安装位置，分别实现CIE127号文件规定的LED的4π空间、2π空间和部分光通量的测量。 

2.根据权利要求1所述球形光度计，其特征是，所述球体（11）的直径是0.3-2.0m。 

3.根据权利要求2所述球形光度计，其特征是，所述球体（11）的直径是0.5m。 

4.根据权利要求1所述球形光度计，其特征是，所述活动球壁（2）采用与球体（11）材料相同的钢或铝材制备；所述精密光阑（12）采用刚性优质硬金属材料加工而成。 

5.根据权利要求1所述球形光度计，其特征是，所述支杆（15）为聚四氟乙烯杆或者其上喷涂白色中性漫反射材料的金属杆。 

6.根据权利要求1或5所述球形光度计，其特征是，所述漫反射材料为硫酸钡或聚四氟乙烯。 

7.根据权利要求1所述球形光度计，其特征是，所述光度计（1）的探测器可由光谱辐 射计替代。 

8.根据权利要求1所述球形光度计，其特征是，进一步地，在所述球体（11）赤道上与所述光度计（1）的探测器对称的位置安装辅助光源（3）。 

9.一种使用权利要求1所述球形光度计测量发光二极管光通量的方法，包括如下步骤： 

（A）根据CIE127号文件规定的LED的4π空间、2π空间或部分光通量测量三种形式的一种，将标准LED（4,5或6）、挡屏（7,8或9）安装在合适的位置，安装或不安装活动球壁（2）、精密光阑（12）及支杆（15），可以是（A1）-（A3）的任意一种方式 

（A1）测量4π空间的光通量时，选择灯座在上光源在下或者灯座在下光源在上的方式，用螺钉（14）将支杆（15）一端锁紧在球体（11）上，位于球体（11）中心的另一端安装标准LED（5），球体（11）上的圆孔（13）处安装活动球壁（2），活动球壁(2)与球体（11）内接，第二挡屏（8）安装，第一挡屏（7）和第三挡屏（9）不安装； 

（A2）测量2π空间的光通量时，在球的侧壁位置安装标准LED（4），球体（11）上圆孔（13）处安装活动球壁（2），活动球壁（2）与球体（11）内接，第一挡屏（7）安装，第二挡屏（8）和第三挡屏（9）不安装； 

（A3）测量部分光通量时，在球的外部位置安装标准LED（6），球体（11）上圆孔（13）处不安装活动球壁（2），安装精密光阑（12），第三挡屏（9）安装，第一挡屏（7）和第二挡屏（8）不安装； 

（B）点燃标准LED（4,5或6），将标准LED（4,5或6）调整到额定工作电流，待其发光稳定后从光度计（1）读取光电流值i_s； 

（C）将标准LED（4,5或6）更换为被测LED（4,5或6），将被测LED（4,5或6）调整到额定工作电流，待其发光稳定后从光度计(1)读取光电流值i_t； 

（D）用式Ф_t=Ф_s（i_t/i_s）计算出被测LED（4,5或6）的光通量，其中Ф_t为被测LED的光通量，Ф_s为已知的标准LED（4,5或6）的光通量，i_s为标准LED的光电流值，i_t为被测LED的光电流值。 

10.根据权利要求9所述测量发光二极管光通量的方法，其特征是，测量2π或4π空间的光通量时，进一步地包括在标准LED（4或5）与被测LED（4或5）吸收不同的情况下进行吸收修正的步骤（E）：在光源的安装位置上装上一支标准LED（4或5）不点燃，点燃辅助光源（3），待辅助光源(3)发光稳定后读取此时的光电流值A_s；取下标准LED(4或5)，在相同位置上装上被测LED(4或5)不点燃，同样读取光电流值A_t；则该支被测LED(4或5)的吸收修正因子α=A_s/A_t，修正后的测量值Φ=Φ_t·α，其中Φ_t为所述步骤(D)测得的被测 LED的光通量。 

11.根据权利要求9所述测量发光二极管光通量的方法，其特征是，测量LED的部分光通量时，所述被测或标准LED（6）安装在球外精密光阑（12）中心的法线方向上，距离精密光阑（12）的距离d根据所测锥角x°由d=25/tan(x/2)计算得到。 

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