以積分球?yàn)榛A(chǔ)的LED光學(xué)參數(shù)測(cè)試準(zhǔn)確性的研究

根據(jù)led光通量測(cè)量的特殊性，在LED測(cè)量用積分球設(shè)計(jì)中進(jìn)行了獨(dú)特的優(yōu)化，同時(shí)采用高反射率的漫反射材料，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性大大提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及一致性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他普通LED測(cè)試系統(tǒng)。是真正適合進(jìn)行LED光學(xué)參數(shù)測(cè)量的系統(tǒng)。

前言
在使用積分球進(jìn)行光通量測(cè)量過(guò)程中，與普通光源不同，LED光源的光通量測(cè)量在的測(cè)試準(zhǔn)確性方面對(duì)設(shè)備提出了很大的挑戰(zhàn)。一方面LED較普通光源通常具有較強(qiáng)的方向性，通常不會(huì)在整個(gè)空間均勻地發(fā)光。該特性使得LED直射光在積分球表面的分布呈不均勻分布，該不均勻分布有直接導(dǎo)致不同LED的直接反射光相對(duì)探測(cè)器的反射特性不同。因?yàn)樘綔y(cè)器口的位置及擋板的設(shè)置是固定的，而不同的反射分布直接表現(xiàn)為信號(hào)起伏。在普通的測(cè)量系統(tǒng)中，不同的正向發(fā)散角的LED、同一LED不同的放置方向、同一方向不同位置等差異，即使光通量是一致，表現(xiàn)出來(lái)的測(cè)量值也表現(xiàn)出極大的差異性。根據(jù)客戶的驗(yàn)證結(jié)果，普通LED測(cè)量系統(tǒng)LED的放置方向?qū)馔繙y(cè)量結(jié)果的影響往往超過(guò)50%（同一LED在不同方向測(cè)量得到的最大信號(hào)和最小信號(hào)的差異）。

在測(cè)量不同LED不同發(fā)光角度時(shí)，由于在積分球內(nèi)表面的分布差異使得直接反射的分布對(duì)探測(cè)器的影響也不同，從而直接影響到兩者測(cè)量的準(zhǔn)確性的差異。如圖1所示。

圖1不同發(fā)光角度的不同LED測(cè)量時(shí)的影響

另一方面LED測(cè)量系統(tǒng)通常使用鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源，使用的標(biāo)準(zhǔn)燈本身與LED無(wú)論實(shí)在外形上、發(fā)光的分布特性上還是光譜特性上都有較大的差異。因此二者的差異性必須進(jìn)行必要的修正。

分析：

LED的方向性對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性影響的一個(gè)重要原因是積分球的內(nèi)表面反射特性。在普通的LED測(cè)量系統(tǒng)中，積分球表面涂層的反射率和朗伯特性都不是很理想。一個(gè)是反射率偏低，另一個(gè)是漫反射特性不好。低反射率的積分球表面的一個(gè)結(jié)果就是，LED的直接照射光經(jīng)過(guò)很少的幾次反射后就逐漸衰減，而在整個(gè)的光混合過(guò)程中，直接照射光和直接反射光占了很大的比重，起了主導(dǎo)作用。而在某些條件下，低反射率材料會(huì)在某些條件下?lián)醢宓暮蟛刻綔y(cè)器處產(chǎn)生強(qiáng)烈的陰影效應(yīng)。而影響測(cè)量不準(zhǔn)確的正是直的反射光和陰影效應(yīng)。

另外較低的漫反射率對(duì)信號(hào)的衰減非常嚴(yán)重。由于光測(cè)量過(guò)程中，光在積分球內(nèi)多次反射，每次反射都有一定的衰減，而反射率的高和低對(duì)光強(qiáng)的影響在多次反射后得以加強(qiáng)。以反射光在球內(nèi)進(jìn)行15次反射為例，如果兩者的反射率相差5%，則信號(hào)的衰減可能會(huì)超過(guò)一倍以上。而實(shí)際上積分球內(nèi)的反射率差別遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。

目前的LED測(cè)試系統(tǒng)還沒(méi)有用于作為標(biāo)準(zhǔn)光源的標(biāo)準(zhǔn)LED，在測(cè)量過(guò)程中，還是使用校準(zhǔn)的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源。由于標(biāo)準(zhǔn)燈的外形結(jié)構(gòu)和待測(cè)LED的差別很大，LED支架對(duì)光有吸收效應(yīng)，以及標(biāo)準(zhǔn)燈安裝位置與LED安裝位置的差別，這些是影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。

解決方案及測(cè)試結(jié)果：

在目前的LED測(cè)試系統(tǒng)中，為了克服以上這些問(wèn)題，提高準(zhǔn)確性，通常采用指定LED以特殊的安裝方向進(jìn)行測(cè)試，或者將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成待測(cè)光源直接朝向探測(cè)端口或背向端口方式。但是一個(gè)角度無(wú)法解決所有問(wèn)題，不同發(fā)光角度的LED的測(cè)試以及反射率等影響仍然需要解決。

Labsphere公司在設(shè)計(jì)LED測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用中對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響因素進(jìn)行了全面優(yōu)化，使系統(tǒng)對(duì)LED方向的敏感度降到最小。即在測(cè)量過(guò)程中，無(wú)須規(guī)定特殊的角度和方向。即使在極端條件下，使用極強(qiáng)方向性的LED，使用極端條件的放置方式，的測(cè)量的結(jié)果仍然保持了良好的一致性。

Labsphere的LED測(cè)量系統(tǒng)嚴(yán)格按照CIE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，積分球內(nèi)表面涂層使用專利技術(shù)的Spectralon@或Spectraflect@作為反射層具有極的反射效率和良好的朗伯反射特性。

在可見(jiàn)光范圍內(nèi)反射率分別大于99%和98%。良好的反射材料可以保證更好地混合特性和均勻的光分布，是直接照射直接反射特性以及擋板的陰影效應(yīng)更小。另外在擋板的設(shè)計(jì)和探測(cè)端口的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了優(yōu)化，采用了漫射器的裝置，最大限度地降低探測(cè)端口對(duì)直接反射光的敏感度。在球體內(nèi)表面的結(jié)合部位進(jìn)行了特殊的考慮。

該LED系統(tǒng)采用了校準(zhǔn)的鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)燈，同時(shí)采用了輔助燈方案，用于補(bǔ)償待測(cè)LED支架與標(biāo)準(zhǔn)燈支架差別對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。該標(biāo)準(zhǔn)燈在美國(guó)Labsphere公司的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)而來(lái)，該結(jié)果可溯源至NIST。該標(biāo)準(zhǔn)燈工作在恒定的色溫3000K下，保持恒定的光輸出通量，提供NIST溯源的光譜輻射通量數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)燈和輔助燈使用的電源為固定電流的固定功率的驅(qū)動(dòng)方式，而不是可調(diào)式電源，這樣可以最大限度地減小功率飄逸。長(zhǎng)期穩(wěn)定性好于0.02%，保證了光輸出結(jié)果的可靠性。

在該系統(tǒng)條件下，針對(duì)前面敘述的LED測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性問(wèn)題進(jìn)行了針對(duì)性的測(cè)試。測(cè)試條件如下：采用高亮度綠色F5LED，功率約0.35W，發(fā)光角度約30°。測(cè)試的流明值及誤差結(jié)果如表1及圖2所示。

表 1 不同LED 方位對(duì)應(yīng)測(cè)量結(jié)果的比較
Number Angle Lumens Percentage
a 0 17.35 100.0%
b 45 17.39 100.2%
c 90 17 98.0%
d 135 16.91 97.5%
e 180 16.75 96.5%
f 225 16.45 94.8%
g 270 16.36 94.3%
h 315 16.65 96.0%
i 360 17.34 99.9%

測(cè)量得到的平均光通量值為16.911流明，測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：0.3911，得到誤差小于±2.35%。

圖2不同LED放置方位的測(cè)量結(jié)果波動(dòng)曲線

測(cè)量過(guò)程中所采用的不同測(cè)試方位如圖3所示。

圖3LED不同測(cè)量方位的定義

結(jié)論
LED采用了9個(gè)測(cè)量方位，分別代表可能的LED放置方式。其中包含對(duì)探測(cè)器影響最小和最大的極端情況。從測(cè)量結(jié)果看，即使在最極端的情況下即，LED面向探測(cè)器開(kāi)口處與LED背向開(kāi)口處，光通量測(cè)量結(jié)果的峰峰值仍然小于5%。這是一個(gè)非常好的測(cè)試結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于LED不會(huì)采取如此極端情況放置。在該側(cè)式中采用的是簡(jiǎn)易的測(cè)試支架，在包含定位誤差情況下，同一位置測(cè)量結(jié)果的光通量誤差小于0.1%。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中LED的光通量測(cè)量重復(fù)性誤差遠(yuǎn)小于0.1%。由此可見(jiàn)Labsphere的LED光學(xué)性能系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果可靠、穩(wěn)定，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能給予可靠的保證。采用這樣的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)可以對(duì)LED的研究、開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)起到極大支持作用，是LED行業(yè)光學(xué)性能測(cè)量的理想選擇。