CN105738339B - 一种荧光粉量子效率测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种荧光粉量子效率测量装置，包括积分球、固定在所述积分球侧面并深入至内部球心的样品杆、固定在所述样品杆顶端且位于积分球球心处的样品台、放置于所述样品台上方且方向朝上的聚光罩、位于积分球上端的输入端、位于积分球下端的输出端、与所述输入端连接的激发光源、与所述输出端连接的光谱仪，积分球内部设置有位于输出端上方的挡光板。本发明结构简单，操作方便，可大幅度减少因荧光粉样品的反射光和荧光的空间分布特性不同所导致的测量误差，显著提高荧光粉量子效率测量的准确性。

Description

一种荧光粉量子效率测量装置
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及一种荧光粉量子效率测量装置。
背景技术
荧光粉是一种能将外部能量转变为光的物质，广泛应用于照明、显示等领域。常见的荧光粉均为光致发光材料，如紫外光激发的灯用荧光粉、近紫外或蓝光激发的LED荧光粉等。量子效率是评价荧光粉性能的基本指标之一，其测量的准确性备受研究者和使用者的关注。
积分球又称光度球或光通球，其作为漫射光源和匀光器，广泛应用于光辐射测量领域，也是测量荧光粉量子效率的重要光学设备。积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，球壁上开有一个或多个窗孔，用作进光孔和光探测孔等。
在使用积分球进行光测量时，样品的出光角度对测量准确性的影响非常大，这与积分球内表面涂层对光的多次衰减有密切关系。常用的硫酸钡或氧化镁涂层的反射率仅有90％左右，而较好的聚四氟涂层的反射率也不超过95％。光在积分球内需要经过多次反射，每次反射都会带来一定的衰减。在输出口直径与积分球直径之比为1∶20时，衰减率会超过99％。由于不同发光角度的光在输出之前经过的反射次数不一样，因此测量出的光强差异很大。对同一光源，因不同发光角度时导致的测量偏差可高达50％。
荧光粉样品在被照射后，只在一侧出光，而不是在整个积分球空间均匀地发光，具有较强的方向性。而由于化学成分、粉体压实程度等因素的存在，不同的荧光粉样品之间出光特性也有很大差异。荧光粉样品出光的空间不均匀分布，导致样品相对探测口的光反射特性不同。由于探测口的位置及光挡板的设置是固定的，而不同的反射分布直接表现为光强测量信号的变化，因此会导致积分球法测量时的较大误差。
除这些因素之外，我们研究发现，荧光粉样品的反射光和荧光的空间分布也存在很大差异。荧光粉样品的反射光和荧光均不遵循朗伯分布，不仅和标准白板的漫反射特性差异很大，而且同一样品的反射光和荧光之间的出光特性也有明显不同。与标准朗伯分布相比，荧光粉的反射光和荧光在出光角度小时强度较高，而在出光角度大时强度较弱。而且不同粒径荧光粉样品之间的这种差异更加明显，细粒径荧光粉的反射光更加集中在小角度方向。同一荧光粉样品的反射光和荧光相比，反射光随着出光角度变大强度下降较快，而荧光的下降较缓。
荧光粉样品反射光与标准白板反射光、以及反射光和荧光的出光分布差异，对荧光粉量子效率测量影响极大。荧光粉的内量子效率是荧光光子数与吸收光光子数的比值，而吸收光光子数是标准白板样品的反射光光子数与荧光粉样品反射光光子数的差。荧光粉样品存在的反射光和荧光的出光特性差异，将导致吸收光光子数和荧光光子数两个数据的测量均不准确，计算出的内量子效率必然存在较大误差。
在现有的荧光粉量子效率测量方法中，为提高测量准确性，在改善积分球的空间均匀性方面做了一些设计，如中国专利CN201410819732.3、CN20098000111.X、CN201310277290.X等。但这些设计均不能解决荧光粉样品反射光和荧光的出光特性差异所导致的测量误差。
综上所述，荧光粉样品的出光非常不均匀，不仅不同荧光粉样品之间的出光特性有很大差异，即使是同一荧光粉样品，其反射光和荧光的出光特性差异也很大，导致量子效率测量存在很大误差。现有的荧光粉量子效率测量技术均未能充分考虑这些因素。如若能解决该问题，将能大幅度提高荧光粉量子效率测量的准确性。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种减少因荧光粉样品的反射光和荧光的空间分布特性不同所导致的测量误差，提高测量准确性的荧光粉量子效率测量装置。
技术方案：本发明的荧光粉量子效率测量装置，包括积分球、固定在所述积分球侧面并深入至内部球心的样品杆、固定在所述样品杆顶端且位于积分球球心处的样品台、放置于所述样品台上方且方向朝上的聚光罩、位于积分球上端的输入端、位于积分球下端的输出端、与所述输入端连接的激发光源、与所述输出端连接的光谱仪，积分球内部设置有位于输出端上方的挡光板。
进一步的，本发明中，设置在样品台上放置的荧光粉样品上方，并使荧光粉样品的出光角度在90°范围之内。
本发明中，输入端的开孔直径不大于积分球内径的1/20。
本发明中，聚光罩的内壁为反射率不小于95％的镜面，聚光罩的外壁与积分球的内壁上涂有相同的涂料。
进一步的，本发明中，聚光罩形状为梯形圆锥、抛物面或弧面。
本发明设计了一个含有顶部输入端和底部输出端的积分球，样品杆固定在积分球水平一侧，在样品杆顶端、即球心位置固定有样品台，在样品台上方放置有聚光罩，聚光罩方向朝上。聚光罩的内壁为反射率不小于95％的镜面，外壁上涂有与积分球内壁相同的涂料。积分球的输入端与激发光源连接，积分球的输出端与光谱仪连接。激发光从输入端窗口照射到荧光粉样品，反射光和荧光被聚光罩会聚到出光角度在90°的范围之内，而在此发光角度内的光强测量偏差很小，因此对荧光粉的反射光和荧光的测量误差也大幅度减少，由此计算出的量子效率的准确性也显著提高。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
积分球是光测量的常用设备，对积分球的改进措施包括提高内壁涂料的反射率、涂料对波长的反射率一致性、改变输入端或输出端的位置、改变样品的位置、改变光挡板的位置或形状，甚至使用半积分球或四分之一积分球结构。但这些改进只能在一定程度上改善积分球的均匀性，出光方向不同仍然会导致积分球法测试的巨大误差。对荧光粉样品这种出光不均匀的样品，用积分球测试时误差很难避免。
另外，在使用积分球测试荧光粉样品时，现有技术均没有考虑同一荧光粉样品的反射光和荧光的出光特性差异。
样品在球心、输出端在底部的积分球是最标准的积分球设计之一，其匀光性能也是最佳的。发明人对此类型积分球的空间均匀性进行了研究，发现当光照射方向在积分球顶部区域时，底部输出端测出的光强的变化很小。当出光角度在90°范围内时，测量的光强偏差小于1％。基于此结论，本发明在积分球中增加了聚光罩设计，用高反射率聚光罩将荧光粉样品的出光角度限制在90°范围内，可以最大限度地减少测量误差。
综上所述，本发明可大幅度减少因荧光粉样品的反射光和荧光的空间分布特性不同所导致的测量误差，显著提高荧光粉量子效率测量的准确性。
附图说明
图1是依据本发明的荧光粉量子效率测量装置示意图。
图2是依据本发明的荧光粉样品和聚光罩相对位置示意图。
图中有：1.积分球、2.输入端、3.输出端、4.样品杆、5.样品台、6.聚光罩、7.激发光源、8.光谱仪、9.挡光板、10.荧光粉样品。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
图1是依据本发明的荧光粉量子效率测量装置示意图。输入端2位于积分球1的顶部，输出端3位于积分球1的底部，样品杆4固定在积分球水平左侧，样品台5位于球心位置，并固定在样品杆4的顶端。在样品台5上方放置有聚光罩6，聚光罩6方向朝上。输出端3处设置有挡光板9，积分球1的输入端2与激发光源7连接。激发光可以是紫外光、近紫外光或蓝光等。积分球1的输出端3与光谱仪8连接。
图2是依据本发明的荧光粉样品10和聚光罩6相对位置示意图。聚光罩6的内壁为反射率不小于95％的镜面，外壁上涂有与积分球1内壁相同的涂料。荧光粉样品10置于样品台5中。
测量荧光粉样品量子效率的步骤如下：
(1)将标准光源放置于球心位置，点亮标准光源，校准光谱仪8；
(2)将标准漫反射白板放置于荧光粉样品10的位置，法向朝上；
(3)将聚光罩6放置在样品台5上，使其在标准漫反射白板的周围，并方向朝上；
(4)点亮激发光源7，照射标准漫反射白板，用光谱仪8测量发射光谱，得到波长和光子数数据；
(5)将标准白板取下，将荧光粉样品10装在样品台5中；
(6)将聚光罩6放置在样品台5上，使其方向朝上；
(7)点亮激发光源7，照射荧光粉样品10，用光谱仪8测量发射光谱，得到波长和光子数数据；
(8)计算荧光粉样品10的量子效率。
根据发射光谱得到波长和光子数数据后，可计算出荧光粉的量子效率，方法如下：
(1)首先计算标准漫反射白板发出的总光子数A；
(2)计算激发光剩余的光子数B；
(3)计算产生的荧光光子数C；
(4)计算荧光粉的外量子效率：
荧光粉外量子效率＝产生的荧光光子数/总光子数＝C/A
(5)计算荧光粉的内量子效率：
荧光粉内量子效率＝产生的荧光光子数/吸收的激发光光子数＝C/(A-B)
使用此装置测试荧光粉样品时，激发光从顶部输入端进入并照射在荧光粉样品上，样品产生反射光和荧光，在聚光罩的作用下，荧光粉样品的反射光和荧光的出光角度均被限制在90°以内，照射在积分球的顶部区域。而如前文所述，从球心位置照射在积分球顶部区域的光的测量误差非常小。
为进一步提高测量精度，聚光罩内壁镜面的反射率应尽可能地高，可选用反射率为98％或以上的材料。
综上所述，本发明设计了一个含有顶部输入端和底部输出端的积分球，荧光粉样品台位于球心位置，在样品台上方放置有聚光罩。荧光粉样品受激发后，反射光和荧光被聚光罩会聚到出光角度在90°的范围之内。由于在此发光角度内的光强测量偏差很小，因此可显著提高荧光粉量子效率测量准确性。
通过以上具体描述，可以更加清楚地说明本发明的特征和本质。但上述具体描述并不对本发明的范围构成限制。而且，本发明要求保护的范围还包括在权利要求范围内的各种改变和等同特征的替换。

Claims (4)

1.一种荧光粉量子效率测量装置，其特征在于，该测量装置包括积分球(1)、固定在所述积分球(1)侧面并深入至内部球心的样品杆(4)、固定在所述样品杆(4)顶端且位于积分球(1)球心处的样品台(5)、放置于所述样品台(5)上方且方向朝上的聚光罩(6)、位于积分球(1)上端的输入端(2)、位于积分球(1)下端的输出端(3)、与所述输入端(2)连接的激发光源(7)、与所述输出端(3)连接的光谱仪(8)，积分球(1)内部设置有位于输出端(3)上方的挡光板(9)，所述聚光罩(6)设置在样品台(5)上放置的荧光粉样品(10)上方，并使荧光粉样品(10)的出光角度在90°范围之内。
2.根据权利要求1所述的荧光粉量子效率测量装置，其特征在于，所述输入端(2)的开孔直径不大于积分球(1)内径的1/20。
3.根据权利要求1或2所述的荧光粉量子效率测量装置，其特征在于，所述聚光罩(6)的内壁为反射率不小于95％的镜面，聚光罩(6)的外壁与积分球(1)的内壁上涂有相同的涂料。
4.根据权利要求1或2所述的荧光粉量子效率测量装置，其特征在于，所述聚光罩(6)形状为梯形圆锥、抛物面或弧面。
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