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球形光度計計量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)解析

作者: 時間:2016-12-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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(zhǔn)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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/325743.htm

  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(biāo)準(zhǔn)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(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)。

  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(rèn)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(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

  該特點使得球形光度計測量時需進(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(biāo)準(zhǔn)燈量值可靠,其檢定或校準(zhǔn)證書在有效期之內(nèi)。

  目前國內(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)燈光譜覆蓋可見光區(qū),能有效定標(biāo)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(dá)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(dá)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(dāng),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(dāng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(lán)色LED,其系數(shù)可能有1.10,甚至更高。



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