球形光度計(jì)計(jì)量LED總光通量的公式

　　1 引言

　　球形光度計(jì)是用測(cè)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(cè)量的計(jì)量機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品檢測(cè)中心和企業(yè)質(zhì)控部門(mén)，是目前用于LED光通量和光效檢測(cè)的最主要設(shè)備[1]。如何合理使用球形光度計(jì)獲得準(zhǔn)確的光通量值是測(cè)試人員普遍關(guān)心的問(wèn)題。本文將嘗試討論球形光度計(jì)計(jì)量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

　　2 球形光度計(jì)原理

　　球形光度計(jì)是利用積分球測(cè)量光源總光通量的光度計(jì)，基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。光源S放在積分球內(nèi)(常見(jiàn)位置是球中心位置的4π測(cè)量方式，或者球壁附近的 2π測(cè)量方式)，光探頭D在球壁上貼著探測(cè)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(lái);若探頭D是光纖收集面，其采集光線后通過(guò)光纖連接光譜輻射計(jì)，根據(jù)測(cè)得的可見(jiàn)光區(qū)的光譜功率，利用光譜光視效率函數(shù)計(jì)算出總光通量。也存在兩者結(jié)合使用的情況，即同時(shí)使用光度探頭和光譜輻射計(jì)，利用光度探頭測(cè)量光通量，光譜輻射計(jì)測(cè)量光源的光譜功率分布。

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

　　圖1b. 球形光度計(jì)(探測(cè)系統(tǒng)為光譜輻射計(jì))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(wú)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(duì)于一個(gè)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(diǎn)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(huì)直接照射到探頭D上，此時(shí)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(qiáng)度。球內(nèi)壁上各點(diǎn)照度值不相等，將不正比于光源的總光通量。

　　根據(jù)公式(1)我們可以通過(guò)比較被測(cè)燈和標(biāo)準(zhǔn)燈之間的光電讀數(shù)，測(cè)量出被測(cè)燈的總光通量為

　　其中Rtest是被測(cè)燈的光電讀數(shù)，Rstd是標(biāo)準(zhǔn)燈的光電讀數(shù)，φstd是標(biāo)準(zhǔn)燈的總光通量值，C是光通量常數(shù)。

　　3 LED特點(diǎn)

　　LED是新一代節(jié)能光源，具有高效能、長(zhǎng)壽命、色彩豐富、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍大等特點(diǎn)，受到人們的高度關(guān)注，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一種高科技產(chǎn)品[2]。一般認(rèn)為，相對(duì)于傳統(tǒng)的白熾燈，LED燈具有如下特點(diǎn)[3]：

　　1)色溫和光譜差異大。典型的白光LED是通過(guò)藍(lán)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(diǎn)使得球形光度計(jì)測(cè)量時(shí)需進(jìn)行光譜光視效率函數(shù)失配修正。

　　2)空間發(fā)光不均勻。個(gè)別類型LED發(fā)光方向性極強(qiáng)，空間發(fā)光強(qiáng)度分布曲線明顯區(qū)別于白熾燈。該特點(diǎn)使得球形光度計(jì)測(cè)量時(shí)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(shí)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(duì)環(huán)境溫度不敏感。該特點(diǎn)使得測(cè)量LED光通量需充分預(yù)熱并且保持規(guī)定的點(diǎn)燃姿態(tài)和環(huán)境溫度。

　　4 測(cè)量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

　　1)使用的標(biāo)準(zhǔn)燈量值可靠，其檢定或校準(zhǔn)證書(shū)在有效期之內(nèi)。

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

　　2)良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及充足的預(yù)熱時(shí)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(shí)驗(yàn)室條件。根據(jù)筆者日常測(cè)量LED光源的經(jīng)驗(yàn)，為達(dá)到熱平衡，LED單管預(yù)熱時(shí)間為5分鐘，LED燈泡等光源則需要0.5 小時(shí)至1小時(shí)。充分老化并經(jīng)挑選后的LED光源重復(fù)性可已達(dá)到0.5%。

　　3)良好的設(shè)備特性。

　　為了使實(shí)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(duì)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(dāng)，并保證被測(cè)光源不直接照射探測(cè)器的條件下，面積取最小值。光度探測(cè)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(shí)驗(yàn)室級(jí)別);其若光度探測(cè)器是輻射光譜儀，則要求雜散光小，波長(zhǎng)位置誤差小，動(dòng)態(tài)范圍大，線性良好。

　　4)光譜光視效率函數(shù)失配修正[4,5]。

　　當(dāng)探測(cè)器是光度探頭，實(shí)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(duì)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(jì)的響應(yīng)曲線偏離V(λ)，帶來(lái)V(λ)失配誤差?？梢酝ㄟ^(guò)下列計(jì)算估計(jì)測(cè)量偏差，并進(jìn)行失配修正：
　　

　　其中

　　Ptest(λ) 為被測(cè)燈的相對(duì)光功率分布，Pstd(λ)為標(biāo)準(zhǔn)燈的相對(duì)光譜功率分布，S(λ)是光度測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)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(biāo)某球形光度計(jì)，測(cè)量某白色LED燈，修正系數(shù)為 1.01;若是測(cè)量藍(lán)色LED，其系數(shù)可能有1.10，甚至更高。

　　5)積分球空間響應(yīng)函數(shù)修正[4,5]。

　　當(dāng)被測(cè)LED和標(biāo)準(zhǔn)燈的歸一化光強(qiáng)空間分布曲線有明顯差異時(shí)，需特別注意該修正系數(shù)。由于球形光度計(jì)的內(nèi)部涂層不均勻以及內(nèi)部部件(如擋屏)的存在，光線照在積分球內(nèi)部球壁上不同區(qū)域最終在探測(cè)器上形成的照度值并不相等，即存在不均勻的積分球空間響應(yīng)分布函數(shù)(Spatial response distribution function，SRDF)：
　　

　　K(θ，φ) 表示在積分球內(nèi)球心位置往(θ，φ)投射定量窄光束至球內(nèi)壁，經(jīng)多次漫反射后，探測(cè)器的讀數(shù)。一般可設(shè)定K(0，0)為單位1。

　　積分球空間響應(yīng)分布函數(shù)修正系數(shù)可寫(xiě)為：

　　Itest(θ，φ)及Istd(θ，φ)分別表示被測(cè)LED和標(biāo)準(zhǔn)燈的歸一化光強(qiáng)空間分布曲線。從公式(5)可知，若積分球內(nèi)部空間響應(yīng)明顯不均勻(如部分涂層發(fā)黃、底部積灰、擋光板面積大等因素)，并且被測(cè)LED燈與標(biāo)準(zhǔn)燈的光強(qiáng)空間分布曲線差異明顯，則上述修正系數(shù)可能比較大。舉例，若用 BDP定標(biāo)某球形光度計(jì)，再測(cè)量某LED射燈，修正系數(shù)可能高達(dá)1.10。

　　6)自吸收修正[4,5]。

　　當(dāng)被測(cè)LED和標(biāo)準(zhǔn)燈的外形尺寸相差較大或者狀態(tài)明顯差異時(shí)，應(yīng)計(jì)算吸收修正因子。在積分球內(nèi)適當(dāng)位置(一般是球壁上)點(diǎn)燃一支發(fā)光穩(wěn)定輔助燈，并遮擋住其射向窗口和被測(cè)燈的直射光。在正常安裝光源的位置上放置一支標(biāo)準(zhǔn)燈，探測(cè)器讀數(shù)為Astd;取下標(biāo)準(zhǔn)燈，相同位置放置被測(cè)LED，探測(cè)器讀數(shù)為Atest，則吸收修正因子計(jì)算公式為：

　　7)使用LED量值傳遞參考燈，規(guī)避上述修正，使得測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單可靠[6]。

　　如果被測(cè)燈和標(biāo)準(zhǔn)燈在總光通量、歸一化光強(qiáng)空間分布曲線、發(fā)光光譜等參量上彼此接近，那么上述三個(gè)修正系數(shù)均接近1，可以忽略。建議考慮選用系列量值穩(wěn)定的LED傳遞標(biāo)準(zhǔn)燈，直接應(yīng)用公式(2)計(jì)算光通量值。

　　5 小結(jié)

　　一般情況下，若球型光度計(jì)滿足上述提及的硬件要求、操作員能保持積分球的潔凈以及注意被測(cè)燈和標(biāo)準(zhǔn)燈(或LED量值傳遞參考燈)光學(xué)特性接近的情況下，所測(cè)量的LED燈的總光通量結(jié)果誤差是完全可控的。被測(cè)燈和標(biāo)準(zhǔn)燈(或LED量值傳遞參考燈)的光譜、光強(qiáng)空間分布或者外形差異大時(shí)，需進(jìn)行相應(yīng)的修正，以減少測(cè)量不確定度。