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球形光度计计量LED总光通量的公式

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  1 引言


  球形光度计是用测量LED产品光通量和光效的一种高效快速的设备,涉及光通量测量的计量机构、产品检测中心和企业质控部门,是目前用于LED光通量和光效检测的最主要设备[1]。如何合理使用球形光度计获得准确的光通量值是测试人员普遍关心的问题。本文将尝试讨论球形光度计计量LED总光通量的关键技术要点。


  2 球形光度计原理


  球形光度计是利用积分球测量光源总光通量的光度计,基本结构见图1。光源S放在积分球内(常见位置是球中心位置的4π测量方式,或者球壁附近的 2π测量方式),光探头D在球壁上贴着探测孔。该孔在球壁上,并放置有漫射器。若探头D是光度探头,其输出电流经I/V转换成电压,最后在读数仪表R上显示出来;若探头D是光纤收集面,其采集光线后通过光纤连接光谱辐射计,根据测得的可见光区的光谱功率,利用光谱光视效率函数计算出总光通量。也存在两者结合使用的情况,即同时使用光度探头和光谱辐射计,利用光度探头测量光通量,光谱辐射计测量光源的光谱功率分布。


  图1a. 球形光度计(探测系统为光照度计)的结构示意图



  图1b. 球形光度计(探测系统为光谱辐射计)的结构示意图


  积分球内部是用白色漫反射材料均匀地涂布的,材料要求漫反射特性好,无光谱选择性。设球壁的反射为ρ,比球半径为R,光源S所发出的总光通量为φ。根据积分球理论,光源S在球壁上产生的反射照度为
  


  对于一个确定的积分球,R和ρ都是固定的。于是上式表示,由于积分球内壁的多次漫反射作用,光源在球内壁各点形成的间接照度值相等,且正比于光源的总光通量。图1中,挡板B的作用是阻挡光源S直接照射到探头D。若积分球内去掉挡板B,从光源发出的光会直接照射到探头D上,此时探头D处位置的照度将依赖于光源在此方向上的发光强度。球内壁上各点照度值不相等,将不正比于光源的总光通量。


  根据公式(1)我们可以通过比较被测灯和标准灯之间的光电读数,测量出被测灯的总光通量为



  


  其中Rtest是被测灯的光电读数,Rstd是标准灯的光电读数,φstd是标准灯的总光通量值,C是光通量常数。


  3 LED特点


  LED是新一代节能光源,具有高效能、长寿命、色彩丰富、动态调节范围大等特点,受到人们的高度关注,也是实现节能减排的一种高科技产品[2]。一般认为,相对于传统的白炽灯,LED灯具有如下特点[3]:


  1)色温和光谱差异大。典型的白光LED是通过蓝光激发黄绿荧光粉,混光得到白色。如下图:


  


  图2. 典型LED和白炽灯的发光光谱图


  该特点使得球形光度计测量时需进行光谱光视效率函数失配修正。


  2)空间发光不均匀。个别类型LED发光方向性极强,空间发光强度分布曲线明显区别于白炽灯。该特点使得球形光度计测量时需引入积分球空间响应函数。


  3)受结温度影响大。由于LED发光芯片依赖于PN结温度,因而LED光通量受环境温度、散热条件以及预热时间的影响。白炽灯只需要5分钟左右及可以接近热平衡,并且对环境温度不敏感。该特点使得测量LED光通量需充分预热并且保持规定的点燃姿态和环境温度。


  4 测量LED总光通量的关键技术要点


  1)使用的标准灯量值可靠,其检定或校准证书在有效期之内。


  目前国内使用的标准灯是BDT、BDP型标准白炽灯,这些类型的标准灯量值稳定可靠,可以准确地定标光通量读数值。此外,使用高色温的分布温度标准灯光谱覆盖可见光区,能有效定标球形光度计中的辐射光谱仪。


  2)良好的实验室环境以及充足的预热时间,改善LED的量值重复性。


  由于LED易受环境温度影响,故需要洁净的恒温实验室条件。根据笔者日常测量LED光源的经验,为达到热平衡,LED单管预热时间为5分钟,LED灯泡等光源则需要0.5 小时至1小时。充分老化并经挑选后的LED光源重复性可已达到0.5%。


  3)良好的设备特性。


  为了使实际使用的积分球接近理想条件,积分球直径在满足光度探头灵敏度要求的情形下应尽可能地大。积分球内涂层材料应洁净和均匀,反射率满足 CIE 84-1989 The measurement of luminous flux的要求;内部支架和夹具不得对灯形成遮挡,须喷上漫反射涂层且总体表面积尽量小。挡屏位置适当,并保证被测光源不直接照射探测器的条件下,面积取最小值。光度探测器性能良好,其若是带V(λ)修正的光度探头,则要求f1’足够小(实验室级别);其若光度探测器是辐射光谱仪,则要求杂散光小,波长位置误差小,动态范围大,线性良好。


  4)光谱光视效率函数失配修正[4,5]。


  当探测器是光度探头,实际响应度曲线与理想光谱光视效率函数V(λ)存在差异。此外,积分球内部漫反射涂层和窗口处的毛玻璃对光谱反射比不是理想的平坦曲线。这些因素使得球形光度计的响应曲线偏离V(λ),带来V(λ)失配误差。可以通过下列计算估计测量偏差,并进行失配修正:
  


  其中


  


  Ptest(λ) 为被测灯的相对光功率分布,Pstd(λ)为标准灯的相对光谱功率分布,S(λ)是光度测量系统的相对光谱响应度,ρ(λ)是积分球内壁的光谱漫反射比,τ(λ)是积分球窗口处的毛玻璃的光谱漫透射比。举例,若用BDP定标某球形光度计,测量某白色LED灯,修正系数为 1.01;若是测量蓝色LED,其系数可能有1.10,甚至更高。


  5)积分球空间响应函数修正[4,5]。


  当被测LED和标准灯的归一化光强空间分布曲线有明显差异时,需特别注意该修正系数。由于球形光度计的内部涂层不均匀以及内部部件(如挡屏)的存在,光线照在积分球内部球壁上不同区域最终在探测器上形成的照度值并不相等,即存在不均匀的积分球空间响应分布函数(Spatial response distribution function,SRDF):
  


  K(θ,φ) 表示在积分球内球心位置往(θ,φ)投射定量窄光束至球内壁,经多次漫反射后,探测器的读数。一般可设定K(0,0)为单位1。


  积分球空间响应分布函数修正系数可写为:



  


  Itest(θ,φ)及Istd(θ,φ)分别表示被测LED和标准灯的归一化光强空间分布曲线。从公式(5)可知,若积分球内部空间响应明显不均匀(如部分涂层发黄、底部积灰、挡光板面积大等因素),并且被测LED灯与标准灯的光强空间分布曲线差异明显,则上述修正系数可能比较大。举例,若用 BDP定标某球形光度计,再测量某LED射灯,修正系数可能高达1.10。


  6)自吸收修正[4,5]。


  当被测LED和标准灯的外形尺寸相差较大或者状态明显差异时,应计算吸收修正因子。在积分球内适当位置(一般是球壁上)点燃一支发光稳定辅助灯,并遮挡住其射向窗口和被测灯的直射光。在正常安装光源的位置上放置一支标准灯,探测器读数为Astd;取下标准灯,相同位置放置被测LED,探测器读数为Atest,则吸收修正因子计算公式为:


  


  7)使用LED量值传递参考灯,规避上述修正,使得测量过程简单可靠[6]。


  如果被测灯和标准灯在总光通量、归一化光强空间分布曲线、发光光谱等参量上彼此接近,那么上述三个修正系数均接近1,可以忽略。建议考虑选用系列量值稳定的LED传递标准灯,直接应用公式(2)计算光通量值。


  5 小结


  一般情况下,若球型光度计满足上述提及的硬件要求、操作员能保持积分球的洁净以及注意被测灯和标准灯(或LED量值传递参考灯)光学特性接近的情况下,所测量的LED灯的总光通量结果误差是完全可控的。被测灯和标准灯(或LED量值传递参考灯)的光谱、光强空间分布或者外形差异大时,需进行相应的修正,以减少测量不确定度。

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