CN106679941A - 一种基于等权收集自由曲面透镜的led光通量测量系统 - Google Patents

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张潇临
刘木清
林泽文
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Abstract

本发明属于光源测量技术领域，具体为一种基于等权收集自由曲面透镜的LED光通量测量系统。本发明采用自由曲面透镜作为LED等权光线收集装置，具体是用固定装置将待测LED固定在自由曲面透镜的底部中心，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。发出的所有光线在经由自由曲面透镜收集过程中，每根光线所占总光线能量权重不变，等权被探测器收集、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

一种基于等权收集自由曲面透镜的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，积分球系统温度控制困难，且窄光束角LED灯具有夹持方向依赖性，光谱功率分布与常用标准灯差异大。目前，用积分球法进行LED光通量的测量误差极大，甚至达到40-50%，而传统光源光通量的测量误差仅有几个百分点。
因此快速测量LED的光通量亟须一种新的测试办法。
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，是一种基于等权收集自由曲面透镜的LED光通量测量系统，采用自由曲面透镜能够等权收集待测可见光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。
本发明提出的基于等权收集自由曲面透镜的LED光通量测量系统，由LED固定装置、待测LED光源、自由曲面透镜、余弦校正器、V(λ)修正模块、光电探测器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)修正模块和光电探测器；光电探测器连接信号处理放大电路；所述自由曲面透镜用于实现所有光线的等权收集，保持每根出射光线所占总光线能量的权重不变；
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余弦校正器，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，也透射到余弦校正器，光源发出的所有光线都经由自由曲面透镜等权收集，保持每根出射光线所占总光线能量的权重不变，再由余弦校正器和V(λ)修正模块进行修正，等权被探测器收集，最终由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。
本发明中 ，所述自由曲面透镜3可以实现待测光源2所有光线的等权收集，保持每根出射光线所占总光线能量的权重不变。
本发明中，所述自由曲面透镜3外表面为抛物面，内表面为凹面，能保证可以实现2π立体角内所有光线的收集，包括LED发出的边缘光线。
本发明中，所述V(λ)修正模块5采用多通道光电转换器件，对光谱进行分段修正。
本发明种，所述光电探测器6可以采用但不仅限于硅光电池、光敏电阻或光电倍增管等。
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度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的光线等权收集装置，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余弦校正器上，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，也透射到余弦校正器，光源发出的所有光线都经由自由曲面透镜收集，保持每根出射光线所占总光线能量的权重不变，测量结果更准确；
（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校正器和V(λ)修正模块，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是一种等权收集自由曲面透镜内的光路示意图 。
图3是一种等权收集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为等权收集自由曲面透镜，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固定于自由曲面透镜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直接透射到余弦校正器4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，也透射到余弦校正器4上，光源发出的所有光线都经由自由曲面透镜3收集，保持每根出射光线所占总光线能量的权重不变，再由余弦校正器4和V(λ)修正模块5进行修正，等权被光电探测器6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。
该自由透镜由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曲面；
（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等权收集；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 (5)

1. 一种基于等权收集自由曲面透镜的 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、余弦校正器、V(λ)修正模块、光电探测器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)修正模块和光电探测器；光电探测器连接信号处理放大电路；所述自由曲面透镜用于实现所有光线的等权收集，保持每根出射光线所占总光线能量的权重不变；
具体测量流程为：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余弦校正器，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，也透射到余弦校正器，光源发出的所有光线都经由自由曲面透镜等权收集，保持每根出射光线所占总光线能量的权重不变，再由余弦校正器和V(λ)修正模块进行修正，等权被探测器收集，最终由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。
2.根据权利要求1所述的基于等权收集自由曲面透镜的LED光通量测量系统，其特征在于，所述自由曲面透镜外表面为抛物面，内表面为内凹的自由曲面，能实现2π立体角内所有光线的收集，包括LED发出的边缘光线。
3.根据权利要求1或2所述的基于等权收集自由曲面透镜的LED光通量测量系统，其特征在于，所述自由曲面透镜由如下设计得到：
（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，即设计得到符合全反射条件的透镜外壁曲面；
（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。
4.根据权利要求3所述的基于等权收集自由曲面透镜的LED光通量测量系统，其特征在于所述V(λ)修正模块采用多通道光电转换器件，对光谱进行分段修正。
5.根据权利要求1、2或4所述的基于等权收集自由曲面透镜的LED光通量测量系统，其特征在于所述光电探测器采用硅光电池、光敏电阻或光电倍增管。
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