CN103969032B - 一种基于自由曲面透镜的led光通量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光源测量技术领域，具体为一种基于自由曲面透镜的LED光通量测量系统。本发明采用自由曲面透镜作为LED光通量收集装置，具体是用固定装置将LED固定在自由曲面透镜的底端，LED发光方向指向透镜，探测器紧密固定在自由曲面透镜半径较大一端以接受光信号。待测LED光源发出的光线一部分经由自由曲面透镜直接透射到光电探测器上，另一部分光线在经过自由曲面透镜与空气的界面时发生全反射改变光路后，也透射到光电探测器上。LED发出的所有光线都经由自由曲面透镜聚集后被探测器收集、测量并最终给出总光通量值的读数。本发明操作简易，可实现快速便携式测量，且测量误差小。

Description

一种基于自由曲面透镜的LED光通量测量系统

技术领域

本发明属于光源测量技术领域，具体涉及一种基于自由曲面透镜的LED光通量测量系统。

背景技术

LED潜在的高光效使其在普通照明中有良好的应用前景。国家的十一五规划中，明确将高光效的LED发展作为重点加以支持，除支持提高LED光效的上游技术研究外，也对LED光效等技术指标的检测技术等予以支持。光源光效的测试实际上难点在光通量的测试。光效的测量包括总光通量和电功率两部分，对于封装LED、LED模块和 LED灯具等各种形态的LED产品，不管其控制器是内置还是外置，是交流供电或是直流供电，电功率的测量都相对简单，且可以达到很高的测量精度；然而由于LED 产品的特殊发光性能，LED总光通量的精确测量却极具挑战性，这也使得总光通量测量成为LED相关标准研究和制定过程中的重点关注问题。

光源的总光通量可以采用绝对法或相对法进行测量。前者对各种光源均能达到高准确度，但测量费时费力。后者通常采用积分球加光度计实现，是一种光通量的快速测量系统。积分球系统具有测量速度快，无需暗室等优点，然而对于LED产品,积分球系统存在温度控制困、窄光束角LED灯具有夹持方向依赖性和光谱功率与常用标准灯差异大等问题。目前，LED光通量的测量误差甚至达到40~50%，而传统光源光通量测量误差仅有几个百分点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可快速便携式测量，且测量误差小的LED光通量测量系统。

本发明提出的LED光通量测量系统，是一种基于自由曲面透镜的LED光通量测量系统，采用自由曲面透镜收集待测可见光LED光通量，并照射到光电探测器，从而进行可见光LED总光通量测量。

本发明提出的基于自由曲面透镜的LED光通量测量系统，由LED固定装置1、待测LED光源2、自由曲面透镜3、光电探测器6、余弦校正器4、V(λ)修正片5和信号处理放大电路7组成。其中：待测LED光源2通过LED固定装置1固定于自由曲面透镜3底部，使待测LED光源2的发光中心定位在自由曲面透镜3底端中心；自由曲面透镜3顶端依次连接余弦校正器4、V(λ)修正片5和光电探测器6；光电探测器6连接信号处量放大电路7；待测LED光源2发出的光线一部分经由自由曲面透镜3直接透射到光电探测器6上，另一部分光线在经过自由曲面透镜3与空气的界面时发生全反射改变光路后，也透射到光电探测器6上，最终实现所有光线的收集；光电探测器6将接收到的光信号转换为电信号，完成光通量的测量。

本发明中，所述自由曲面透镜3能够利用全反射收集LED发出的边缘光线。

本发明中，所述自由曲面透镜3中心部分的形状可以为：

（1）焦点位于LED发光中心的凸透镜，以实现对LED发出的中心光束的准直；

（2）圆心位于LED发光中心的半球形凹透镜，使LED发出的光线在入射到透镜时不发射折射；

本发明中，所述光电探测器6可使用但不限于硅光电池、光敏电阻或光电倍增管等器件。

本发明的有益效果在于：

1、针对不同封装形式的LED采用不同构造的夹具固定，以保证LED的发光中心定位在自由曲面透镜底端中心，且LED发出的小于等于180于出光角度的光线都能入射到透镜上。

2、采用特殊设计的自由曲面透镜作为LED的光通收集装置，待测LED光源发出的光线一部分经由自由曲面透镜直接透射到光电探测器上，另一部分光线在经过自由曲面透镜与空气的界面时发生全反射改变光路后，也透射到光电探测器上，最终实现所有光线的收集，完成光通量的测量。

3、光通量探测器采用硅光电池作为探头材料，探头受光面安装余弦修正器和V(λ)修正片。探头紧密贴合自由曲面透镜后端，以保证出射光完全为探测器所收集。

附图说明

图1是本发明LED总光通量测试系统示意图。

图2是一种自由曲面透镜内的光路示意图。

图3是一种自由曲面透镜的设计原理图。

图中标号： 1为LED固定装置，2为待测LED光源，3为自由曲面透镜，4为余弦校正器，5为V(λ)修正片，6为光电探测器，7为信号处理放大电路。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

如图1和图2所示，所述的光通量测试系可直接用于LED的总光通量测试。该测试系统由LED固定装置1，待测LED光源2，自由曲面透镜3，余弦校正器4，V(λ)修正片5，硅光电池探测器6和信号处理放大电路7组成。LED固定装置1将待测LED光源2固定于透镜3的底端位置。完整的探测器探头由余弦校正器4，V(λ)修正片5和光电探测器6探头构成，紧贴透镜的另一端。待测LED光源2发出的光线一部分经由自由曲面透镜3直接透射到光电探测器6上，另一部分光线在经过自由曲面透镜3与空气的界面时发生全反射改变光路后，也透射到光电探测器6上，最终实现所有光线的收集；光电探测器6将接收到的光信号转换为电信号，完成光通量的测量。

为了进一步对本发明进行阐述，下面结合图3对一种自由曲面透镜的设计过程进行说明。然而所述实例仅为提供说明与解释之用，不能用来限制本发明专利的保护范围。

该自由透镜曲面由如下设计步骤得到：

（1）首先将LED视为点光源，将LED发出的光线按照出光角度分为中心小出光角度内光线和边缘光线。

（2）边缘光线在经过垂直于LED底面的透镜壁时发生一次折射。过折射光线上一点作一条直线与折射光线相交，角度为90°-界面全反射临界角。在一个平面内，对等角度选取的若干边缘光线重复上述步骤，得到一系列的参考直线。以这些参考直线的斜率作为自由曲面透镜外壁的切线斜率，通过旋转对称，即可设计出符合全反射条件的透镜外壁。

（3）设计透镜中部对应小出光角度内光线的形状为焦点位于LED发光中心的凸透镜，以实现对LED发出的中心光束进行准直。

（4）将得到的透镜轮廓线导入到3D建模软件中，进行旋转对称以生成实体。

（5）将得到的完整实体导入到光学追迹软件中，设置透镜参数和追迹的条件以进行光线追迹，对追迹的结果进行分析并修正设计参数。

本发明采用特殊设计的自由曲面透镜将LED发出的所有光线都收集起来，再用探测器测量其光通量值。待测LED光源发出的光线一部分经由自由曲面透镜直接透射到光电探测器上，另一部分光线在经过自由曲面透镜与空气的界面时发生全反射改变光路后，也透射到光电探测器上，最终实现所有光线的收集；光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，完成光通量的测量。由于利用了光线的全反射原理，边缘光线引起的误差被降低到了最小，实现了光通量的精密测量。

Claims (3)

1.一种基于自由曲面透镜的LED光通量测量系统，其特征在于由LED固定装置、待测LED光源、自由曲面透镜、光电探测器、余弦校正器、V(λ)修正片和信号处理放大电路组成；其中，待测LED光源通过LED固定装置固定于自由曲面透镜底部，使待测LED光源的发光中心定位在自由曲面透镜底端中心；自由曲面透镜顶端依次连接余弦校正器、V(λ)修正片和光电探测器；光电探测器连接信号处量放大电路；待测LED光源发出的光线一部分经由自由曲面透镜直接透射到光电探测器上，另一部分光线在经过自由曲面透镜与空气的界面时发生全反射改变光路后，也透射到光电探测器上，最终实现所有光线的收集；光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，完成光通量的测量；

所述自由透镜曲面由如下设计步骤得到：

（1）首先将LED视为点光源，将LED发出的光线按照出光角度分为中心小出光角度内光线和边缘光线；

（2）边缘光线在经过垂直于LED底面的透镜壁时发生一次折射；过折射光线上一点作一条直线与折射光线相交，角度为90°-界面全反射临界角；在一个平面内，对等角度选取的若干边缘光线重复上述步骤，得到一系列的参考直线；以这些参考直线的斜率作为自由曲面透镜外壁的切线斜率，通过旋转对称，即设计出符合全反射条件的透镜外壁；

（3）设计透镜中部对应小出光角度内光线的形状为焦点位于LED发光中心的凸透镜，以实现对LED发出的中心光束进行准直；

（4）将得到的透镜轮廓线导入到3D建模软件中，进行旋转对称以生成实体；

（5）将得到的完整实体导入到光学追迹软件中，设置透镜参数和追迹的条件以进行光线追迹，对追迹的结果进行分析并修正设计参数。

2.根据权利要求1所述的基于自由曲面透镜的LED光通量测量系统，其特征在于所述自由曲面透镜的中心部分，其形状为圆心位于LED发光中心的半球形凹透镜，使LED发出的光线在入射到透镜时不发射折射。

3.根据权利要求1所述的基于自由曲面透镜的LED光通量测量系统，其特征在于所述光电探测器使用硅光电池、光敏电阻或光电倍增管。