CN1959366A

CN1959366A - 采用窄光束标准光源的led光通量测试装置及测试方法

Info

Publication number: CN1959366A
Application number: CNA2006101189158A
Authority: CN
Inventors: 刘木清; 周小丽; 李文宜; 张万路; 葛爱明; 孙耀杰
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: CN100476389C; US7532324B2; US20080129996A1

Abstract

本发明属于光通量测试领域，涉及采用窄光束标准光源的LED光通量的测试装置及其测试方法。本发明的采用窄光束标准光源的LED光通量的测试系统，包括积分球、光源、窄通光孔径的光纤、光谱仪和电源。电源与光源连接并点亮光源，窄光束标准光源(光通量标准及光谱标准光源)放置积分球内表面，球内无任何遮挡，通过窄通光孔径的光纤将被测光引到微型多通道光谱仪器，进行光谱能量分布测试并进而计算光通量的方法，实现对光通量的精密测试。本发明的装置使用简便，误差小，成本低，可实现对LED光通量的精密测试。

Description

采用窄光束标准光源的LED光通量测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于光源测试领域，涉及采用窄光束标准光源测试LED光通量的装置及其测试方法。

背景技术

半导体技术继引发了微电子革命之后，又在孕育着一场新的产业革命---照明革命。发光二极管(LED)的特点使其在显示及特种照明等领域获得很大的应用。但是LED理论上的高光效使其潜在的巨大应用前景是普通照明市场。因此，在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。

光源的光效的测试实际上难点在光通量的测试。由于LED的特点，尽管国际照明委员会(CIE)及美国、加拿大等计量研究机构建议了LED光通量的测试方法，但国际上至今未有公认的能与传统光源光通量测试方法相近的简易测试方法。

现有LED光通量测试方法存在的问题，包括：

(1)采用光电池探测器由于无法对LED实现视见函数V(λ)在所有光谱点的准确匹配，特别是现有探测器在蓝、红波段误差较大，造成测试误差；

(2)采用传统方法积分球内如放置光源、挡屏时，由于测试LED的光通球一般很小，甚至只有直径5cm，积分球理论将无法满足，因而造成测试原理性误差；

(3)如放置表面，向四面发光的常规标准灯将无法采用，而采用LED标准灯又存在无法实现光谱定标的问题。

这些问题，使LED光通量的测试一直存在分歧，因而也影响了对LED性能的判别，不利于LED产业的发展。

因此，当前国内外对LED光通量测试的研究，主要集中于如下几点：

(1)探测器的V(λ)匹配精度对LED光通量测试精度的影响。由于LED是窄带光谱(单色LED)对V(λ)匹配的局部误差(特别是V(λ)较小时)将有很大影响，必修做光谱分布修正；

(2)测试LED的光通量的积分球一般均较小，这样球内的任何物件都将影响测试结果；

(3)LED是对温度敏感的器件，测试时必须保持LED的温度。

发明内容

本发明的目的是设计一种采用窄光束标准光源的LED光通量的测试装置及相应的测试方法，实现对LED光通量的精密测试。

本发明采用窄光束标准光源(光通量标准及光谱标准)放置积分球表面。窄光束标准光源是特别为LED光通量测量设计的，适用于放在积分球表面内壁的光源，其特殊的结构将球壁对光源光通量的吸收降到最低；球内无任何遮挡，可以避免挡屏等遮挡物的自吸收。

光源发出的光通过窄通光孔径的光纤引出到多通道微型光谱仪器，进行光谱能量分布测试并进而计算光通量，实现对光通量的精密测试。窄通光孔径的光纤可以滤去LED的直射光线，使积分球理论得到满足；多通道光谱仪系统可以对V(λ)曲线进行修正，使得探测器的响应与人眼对光谱的响应达到一致。

本发明提供了一种采用窄光束标准光源的LED光通量测试装置，包括积分球、光源、窄通光孔径的光纤、光谱仪和电源，光源置于积分球内表面，窄通光孔径的光纤穿过积分球的开孔连接微型光谱仪，电源与光源连接并点亮光源，积分球内只有光源，积分球的内壁涂白色漫反射层，分球内壁各点的漫反射是均匀的。较好的，该积分球设计服从朗伯定律。

本发明中，采用窄光束标准光源定标，其余条件采用常规的定标操作方法。

本发明中，采用窄通光孔径的光纤将光从积分球传送到微型光谱仪进行测试。

本发明中，积分球的直径视光源的功率而定，而光纤、微型光谱仪等可以根据具体测试要求和实验室条件选用。

另一方面，本发明提供了一种采用窄光束标准光源的LED光通量的测试方法，包括标准光源定标、LED样品光源测定和测定结果处理，将标准光源作为光谱与光通量的双重定标光源，以标准光源的光谱能量分布作为测试的标准值；被测LED取代标准光源，置于同一积分球内表面并点亮，测得被测LED的相对光谱能量分布；根据被测LED与标准光源的光谱能量分布比较计算被测LED的光通量值。

本发明中，积分球的内壁涂白色漫反射层，分球内壁各点的漫射是均匀的，并服从朗伯定律。

本发明中，采用窄光束标准光源定标，被测LED和标准光源放于积分球表面，积分球内无任何遮挡物。

本发明中，光通量定标采用角分辨率小于0.2度，探测器V匹配误差小于3％的分布光度计测试。

本发明中，光谱定标时，在积分球表面开口放置该窄光束标准光源，球内放置普通色温标准灯。

本发明中，光谱仪可以采用波长范围是200nm～1100nm的多通道微型光谱仪。

具体而言，本发明的测试方法如下：

1.窄光束标准光源的定标

由于该标准光源作为光谱与光通量的双重定标光源，因此必须考虑对该光源的光谱能量分布及总光通量的定标传递。

光通量定标：用小型分布光度计测试，采用角分辨率小于0.2度，探测器V(λ)匹配误差小于3％，仪器稳定性好的分布光度计。该方法可用于传递光通量标准。

光谱定标：用小型积分球，在积分球表面开口放置该窄光束标准光源，球内放置色温接近(2800K)的普通色温(光谱分布)标准灯，以传递光谱能量分布标准，如图3所示。

先将窄光束标准光源放于积分球表面点亮，用光谱仪测试，输入标准光源的光通量、色温值，并在软件中记录标准光源的光谱，将标准光源的光谱能量分布作为测试的标准值存盘。

2.被测LED的测试

如图1所示测试装置，将被测LED放入同一积分球表面点亮，用光谱仪测试出被测LED的相对光谱能量分布，并根据与标准光源的比较计算被测LED的光通量值。

3.计算公式或计算方法

积分球为内壁涂白色漫反射层的完整球壳。光源放在球内任意位置。积分球内壁各点的漫射是均匀的，并服从朗伯定律，漫射率为ρ，球内径为r，球心在o，光源的总光通量为Φ。光通量指人眼所能感觉到的辐射能量，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。例如，当波长为555×10-7米的绿光与波长为65×10-6米的红光辐射功率相等时，前者的光通量为后者的10倍。光通量的单位为“流明”，是英文lumen的音译，简写为lm。光通量通常用Φ来表示，绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。光源S在球内各点建立的照度是不同的，球壁上任意位置M点的照度由多次照度叠加而成。

如图4所示，设S在球内点A建立的照度为Ea，将A考虑为一个二次发光体。则A点附近面积元da因一次漫射光线在M点附近产生的二次照度为dE2为：

{dE}_{2} = \frac{{ρE}_{α} \cdot dS}{4 π r^{2}}

整个球面在M点引起的二次照度为：

E_{2} = {&Integral;}_{s} {dE}_{2} = \frac{ρ}{4 π r^{2}} {&Integral;}_{s} E_{α} dS = \frac{ρ \cdot Φ}{4 π \cdot r^{2}}

二次漫射光线在M点建立的三次照度为：E₃＝ρ·E₂

因此在球内任一点M引起的照度E为：E＝E₁+E₂+E₃+....

所以可得出M点的照度：

E = E_{1} + \frac{Φ}{4 π r^{2}} \cdot \frac{ρ}{1 - ρ}

加挡屏后的球内壁各点照度：

{dE}_{2} = \frac{ρ \cdot E_{α} \cdot dS}{4 π \cdot r^{2}}

对于一定的球，r和ρ为常量，在球壁上任何位置的照度(挡去一次照度后)与光源s的总光通量成正比，因此我们可以测量光通量球壁开的小窗口上的照度来计算光源的总光通量。

光通量测量最方便的办法是比较法，分别在球内依次点亮标准灯和待测灯，他们在球窗口上的照度分别为E_S和E_X，而探测器产生的电流分别为I_S和I_X，因此

Φ_{X} = \frac{E_{X}}{E_{S}} Φ_{S}

如果探测器工作在线性范围，则I_S和I_X分别与E_S和E_X成正比，则由：

从理论推算可以知道，无论光源在积分球内的什么位置，接收器上得到的信号

Φ_{X} = \frac{I_{X}}{I_{S}} Φ_{S}

值是一样的，也就是说接收器上的信号值是一个与光源位置无关的量。在传统光源的积分球测量中，往往将光源置于积分球的中心位置。LED作为新型的光源，其自身具有一定的特殊性：

1.LED输出的总光通量随其自身温度的升高而迅速降低。工作中的LED必需有良好的散热才能保证其输出光通量的稳定，而积分球内的密闭空间无法满足其散热的需要。

2.LED体积虽小但其点灯装置在积分球中引入的光通自吸收不可忽略。若依旧比照传统光源在积分球中心点燃的测量模式，LED的上述特性必然给测量结果带来误差。

本发明将标准光源和被测LED都放在积分球表面，避免了LED点亮时温升所带来的光通量下降，LED点灯装置的外置尽可能的满足了积分球原理，将点灯装置的自吸收降到了最低，对于窄配光的LED光源使用窄通光孔径的光纤，由于几乎没有发自LED的一次光线直接射入光纤探头，因此挡屏便不再需要了，进一步满足了积分球原理。

本发明的采用窄光束标准光源的LED光通量的测试装置是由无档屏的积分球、被测LED、标准光源、电源、窄通光孔径的光纤、CCD微型多通道光谱仪几个部分构成。本发明采用窄光束标准光源光通量标准及光谱标准放置积分球表面，球内无任何遮挡，通过窄通光孔径的光纤引出被测光到微型多通道光谱仪器，进行光谱能量分布测试并进而计算光通量，实现对光通量的精密测试。

本发明有以下一些特点：

A.采用窄光束标准光源；

B.标准光源放置积分球表面，球内无任何遮挡；

C.窄通光孔径的光纤将被测光引到微型多通道光谱仪器。

D.采用多通道微型光谱仪进行光谱能量分布测试，对V(λ)曲线进行修正。

本发明的装置使用简便，误差小，成本低，可实现对LED光通量的精密测试。

附图说明

图1是采用窄光束标准光源的LED光通量的测试装置结构示意图。

图2是本发明的专用于积分球内壁放置的窄光束标准光源示意图。

图3是窄光束标准光源的光谱能量分布定标示意图。

图4是为计算公式推导假设的积分球示意图。

图中，1是积分球；2是光源，包括被测LED或者标准光源；3是窄通光孔径的光纤；4是微型光谱仪器；5是电源，6是挡屏；7为普通标准光源；8为窄光束标准光源。

具体实施方式

本发明所用元件如下：

LED：被测LED光源；

标准光源：采用卤钨灯、经光学设计的窄光束标准光源；

普通标准光源：普通已知光通量的白炽灯；

积分球：无挡屏积分球；

光纤：窄通光孔径的光纤；

光谱仪：采用CCD多通道微型光谱仪；

电源：恒流电源。

实施例1 采用窄光束标准光源的LED光通量的测试装置

本发明的采用窄光束标准光源的LED光通量的测试装置是由无档屏的积分球、被测LED、标准光源、电源、窄通光孔径的光纤、CCD微型多通道光谱仪几个部分构成。

1.标准光源

窄光束标准光源不是为了模拟LED，而是为了使该标准光源的所有发光能进入积分球内。同时，该窄光束出光孔径必须与积分球入孔很好地匹配。同时，该标准光源必须具有良好地时间稳定性，光谱必须丰富。且易于标定。我们采用2800K左右色温的卤钨灯，经光学系统出射窄光束。如图2所示。

2.CCD多通道光谱仪

传统的光度量(光通量、光强、照度、亮度等)测试一般采用硅光电池加滤光片修正实现V(λ)匹配，但这种匹配是很近似的，而且在V(λ)的较低值其相对误差将更大。对连续光源的光通量等测试，这种匹配误差造成的最终光通量测试误差是较小的。但对LED，特别是单色LED，将有可能造成很大的误差。因此，采用光谱仪器测试光谱能量分布并据此计算光通量的方法将更为合理。由于LED光通量测试装置(仪器)一般较小，所以本发明采用多通道的微型光谱仪器将是一可行的办法。该微型光谱仪是高性能的小型便携式短波(200nm～1100nm)光谱仪。探测器采用光电二极管阵列。主要性能指标如下：

能耗	110mA，9VDC
能耗	110mA，9VDC	波长范围	200nm～1100nm
探测器	256象元CCD，每个象元14μm×56μm	波长范围	200nm～1100nm
探测器	256象元CCD，每个象元14μm×56μm	积分时间	3ms～2s
杂散光	＜0.05％	积分时间	3ms～2s
杂散光	＜0.05％	A/D转换器	16bit
接口	RS-232	A/D转换器	16bit

仪器组装过程：按照图1进行组装，被测LED或标准光源放置在积分球表面，积分球内不加挡屏，通过窄通光孔径的光纤引出被测光到微型多通道光谱仪器，进行光谱能量分布测试并进而计算光通量的方法，实现对光通量的精密测试。

实施例2 测试实例

测试方法主要包括标准光源的定标、LED样品的测试和测试结果的处理等步骤。

1.窄光束标准光源的定标

光谱定标：用小型积分球，在积分球表面开口放置该窄光束标准光源，球内放置色温接近的普通色温(光谱分布)标准灯，以传递光谱能量分布标准，如图3所示。

2.被测LED的测试

如图1所示测试装置，先将窄光束标准光源放于积分球表面点亮，用光谱仪测试，输入标准光源的光通量、色温值，并记录标准光源的光谱，将标准光源的光谱能量分布作为测试的标准值存盘；将被测LED放入同一积分球表面点亮，用光谱仪测试出被测LED的相对光谱能量分布，并根据与标准光源的比较计算被测LED的光通量值。

3.计算结果

按照下面的公式计算被测LED的光通量。

Φ_{X} = \frac{I_{X}}{I_{S}} Φ_{S}

以一个20mA白光LED为例，测试结果：光通量3.03lm。

实施例3 测试结果比较

用美国进口的labspere的LED-1100分布式光度计测出LED的光强分布曲线，计算得出LED的光通量值为3.05lm，用传统的仪器测试得出结果为2.78lm。

Labspere仪器测出的标准值	本发明测试方法结果	传统仪器测试结果
Labspere仪器测出的标准值	本发明测试方法结果	传统仪器测试结果	3.05lm	3.03lm	2.78lm

可以看出，采用本发明的测试方法误差为0.6％，而采用传统方法由于光源和档屏的自吸收，误差为8.85％。

Claims

1.一种采用窄光束标准光源的LED光通量测试装置，包括积分球、光源、窄通光孔径的光纤、光谱仪和电源，其特征在于，光源置于积分球内表面，窄通光孔径的光纤通过积分球的开孔连接微型光谱仪，电源与光源连接并点亮光源，积分球的内壁涂白色漫反射层，积分球内壁各点的漫反射是均匀的。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，采用窄通光孔径的光纤将光从积分球传送到微型光谱仪进行测试。

3.一种用权利要求1所述装置测试LED光通量的方法，包括标准光源定标、LED样品光源测定和测定结果处理，其特征在于，将标准光源作为光谱与光通量的双重定标光源，以标准光源的光谱能量分布作为测试的标准值；然后，被测LED取代标准光源，置于同一积分球内表面并点亮，测得被测LED的相对光谱能量分布；最后，根据被测LED与标准光源的光谱能量分布比较计算被测LED的光通量值。

4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征是采用窄光束标准光源定标，被测LED和标准光源放于积分球内表面，积分球内无任何遮挡物。

5.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，光通量定标采用角分辨率小于0.2度、探测器V匹配误差小于3％的分布光度计测试。

6.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，光谱定标时，在积分球表面开口处放置该窄光束标准光源，球内放置普通色温标准灯。

7.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，光谱仪采用波长范围是200nm～1100nm的多通道微型光谱仪。