球形光度計計量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)解析

球形光度計是用測量LED產(chǎn)品光通量和光效的一種高效快速的設(shè)備，涉及光通量測量的計量機構(gòu)、產(chǎn)品檢測中心和企業(yè)質(zhì)控部門，是目前用于LED光通量和光效檢測的最主要設(shè)備。如何合理使用球形光度計獲得準確的光通量值是測試人員普遍關(guān)心的問題。本文將嘗試討論球形光度計計量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)要點。

　　1 球形光度計原理

　　球形光度計是利用積分球測量光源總光通量的光度計，基本結(jié)構(gòu)見圖1。光源S放在積分球內(nèi)(常見位置是球中心位置的4π測量方式，或者球壁附近的 2π測量方式)，光探頭D在球壁上貼著探測孔。該孔在球壁上，并放置有漫射器。若探頭D是光度探頭，其輸出電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成電壓，最后在讀數(shù)儀表R上顯示出來；若探頭D是光纖收集面，其采集光線后通過光纖連接光譜輻射計，根據(jù)測得的可見光區(qū)的光譜功率，利用光譜光視效率函數(shù)計算出總光通量。也存在兩者結(jié)合使用的情況，即同時使用光度探頭和光譜輻射計，利用光度探頭測量光通量，光譜輻射計測量光源的光譜功率分布。

　　圖1a. 球形光度計(探測系統(tǒng)為光照度計)的結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖1b. 球形光度計(探測系統(tǒng)為光譜輻射計)的結(jié)構(gòu)示意圖

　　積分球內(nèi)部是用白色漫反射材料均勻地涂布的，材料要求漫反射特性好，無光譜選擇性。設(shè)球壁的反射為ρ，比球半徑為R，光源S所發(fā)出的總光通量為φ。根據(jù)積分球理論，光源S在球壁上產(chǎn)生的反射照度為

　　對于一個確定的積分球，R和ρ都是固定的。于是上式表示，由于積分球內(nèi)壁的多次漫反射作用，光源在球內(nèi)壁各點形成的間接照度值相等，且正比于光源的總光通量。圖1中，擋板B的作用是阻擋光源S直接照射到探頭D。若積分球內(nèi)去掉擋板B，從光源發(fā)出的光會直接照射到探頭D上，此時探頭D處位置的照度將依賴于光源在此方向上的發(fā)光強度。球內(nèi)壁上各點照度值不相等，將不正比于光源的總光通量?！　「鶕?jù)公式(1)我們可以通過比較被測燈和標準燈之間的光電讀數(shù)，測量出被測燈的總光通量為

　　其中Rtest是被測燈的光電讀數(shù)，Rstd是標準燈的光電讀數(shù)，φstd是標準燈的總光通量值，C是光通量常數(shù)。

　　2LED特點

　　LED是新一代節(jié)能光源，具有高效能、長壽命、色彩豐富、動態(tài)調(diào)節(jié)范圍大等特點，受到人們的高度關(guān)注，也是**實現(xiàn)節(jié)能減排的一種高科技產(chǎn)品。一般認為，相對于傳統(tǒng)的白熾燈，LED燈具有如下特點：

　　1)色溫和光譜差異大。典型的白光LED是通過藍光激發(fā)黃綠熒光粉，混光得到白色。如下圖：

　　圖2. 典型LED和白熾燈的發(fā)光光譜圖

　　該特點使得球形光度計測量時需進行光譜光視效率函數(shù)失配修正。

　　2)空間發(fā)光不均勻。個別類型LED發(fā)光方向性極強，空間發(fā)光強度分布曲線明顯區(qū)別于白熾燈。該特點使得球形光度計測量時需引入積分球空間響應(yīng)函數(shù)。

　　3)受結(jié)溫度影響大。由于LED發(fā)光芯片依賴于PN結(jié)溫度，因而LED光通量受環(huán)境溫度、散熱條件以及預(yù)熱時間的影響。白熾燈只需要5分鐘左右及可以接近熱平衡，并且對環(huán)境溫度不敏感。該特點使得測量LED光通量需充分預(yù)熱并且保持規(guī)定的點燃姿態(tài)和環(huán)境溫度。

　　3 測量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)要點

　　1)使用的標準燈量值可靠，其檢定或校準證書在有效期之內(nèi)。

　　目前國內(nèi)使用的標準燈是BDT、BDP型標準白熾燈，這些類型的標準燈量值穩(wěn)定可靠，可以準確地定標光通量讀數(shù)值。此外，使用高色溫的分布溫度標準燈光譜覆蓋可見光區(qū)，能有效定標球形光度計中的輻射光譜儀。

　　2)良好的實驗室環(huán)境以及充足的預(yù)熱時間，改善LED的量值重復(fù)性。

　　由于LED易受環(huán)境溫度影響，故需要潔凈的恒溫實驗室條件。根據(jù)筆者日常測量LED光源的經(jīng)驗，為達到熱平衡，LED單管預(yù)熱時間為5分鐘，LED燈泡等光源則需要0.5 小時至1小時。充分老化并經(jīng)挑選后的LED光源重復(fù)性可已達到0.5%?！　?)良好的設(shè)備特性。

　　為了使實際使用的積分球接近理想條件，積分球直徑在滿足光度探頭靈敏度要求的情形下應(yīng)盡可能地大。積分球內(nèi)涂層材料應(yīng)潔凈和均勻，反射率滿足 CIE 84-1989 The measurement of luminous flux的要求；內(nèi)部支架和夾具不得對燈形成遮擋，須噴上漫反射涂層且總體表面積盡量小。擋屏位置適當，并保證被測光源不直接照射探測器的條件下，面積取最小值。光度探測器性能良好，其若是帶V(λ)修正的光度探頭，則要求f1’足夠小(實驗室級別)；其若光度探測器是輻射光譜儀，則要求雜散光小，波長位置誤差小，動態(tài)范圍大，線性良好。

　　4)光譜光視效率函數(shù)失配修正。

　　當探測器是光度探頭，實際響應(yīng)度曲線與理想光譜光視效率函數(shù)V(λ)存在差異。此外，積分球內(nèi)部漫反射涂層和窗口處的毛玻璃對光譜反射比不是理想的平坦曲線。這些因素使得球形光度計的響應(yīng)曲線偏離V(λ)，帶來V(λ)失配誤差?？梢酝ㄟ^下列計算估計測量偏差，并進行失配修正：

　　其中

　　， Ptest(λ) 為被測燈的相對光功率分布，Pstd(λ)為標準燈的相對光譜功率分布，S(λ)是光度測量系統(tǒng)的相對光譜響應(yīng)度，ρ(λ)是積分球內(nèi)壁的光譜漫反射比，τ(λ)是積分球窗口處的毛玻璃的光譜漫透射比。舉例，若用BDP定標某球形光度計，測量某白色LED燈，修正系數(shù)為 1.01；若是測量藍色LED，其系數(shù)可能有1.10，甚至更高。