以積分球為基礎的LED光學參數(shù)測試準確性的研究

根據(jù)led光通量測量的特殊性，在LED測量用積分球設計中進行了獨特的優(yōu)化，同時采用高反射率的漫反射材料，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性及準確性大大提高。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及一致性遠遠高于其他普通LED測試系統(tǒng)。是真正適合進行LED光學參數(shù)測量的系統(tǒng)。

前言
在使用積分球進行光通量測量過程中，與普通光源不同，LED光源的光通量測量在的測試準確性方面對設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的方向性，通常不會在整個空間均勻地發(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致不同LED的直接反射光相對探測器的反射特性不同。因為探測器口的位置及擋板的設置是固定的，而不同的反射分布直接表現(xiàn)為信號起伏。在普通的測量系統(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)出來的測量值也表現(xiàn)出極大的差異性。根據(jù)客戶的驗證結(jié)果，普通LED測量系統(tǒng)LED的放置方向?qū)馔繙y量結(jié)果的影響往往超過50%（同一LED在不同方向測量得到的最大信號和最小信號的差異）。

在測量不同LED不同發(fā)光角度時，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探測器的影響也不同，從而直接影響到兩者測量的準確性的差異。如圖1所示。

圖1不同發(fā)光角度的不同LED測量時的影響

另一方面LED測量系統(tǒng)通常使用鹵鎢燈作為標準光源，使用的標準燈本身與LED無論實在外形上、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行必要的修正。

分析：

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

另外較低的漫反射率對信號的衰減非常嚴重。由于光測量過程中，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光強的影響在多次反射后得以加強。以反射光在球內(nèi)進行15次反射為例，如果兩者的反射率相差5%，則信號的衰減可能會超過一倍以上。而實際上積分球內(nèi)的反射率差別遠遠不止于此。

目前的LED測試系統(tǒng)還沒有用于作為標準光源的標準LED，在測量過程中，還是使用校準的穩(wěn)定驅(qū)動的鹵鎢燈作為標準光源。由于標準燈的外形結(jié)構(gòu)和待測LED的差別很大，LED支架對光有吸收效應，以及標準燈安裝位置與LED安裝位置的差別，這些是影響測量結(jié)果準確性的重要因素。

解決方案及測試結(jié)果：

在目前的LED測試系統(tǒng)中，為了克服以上這些問題，提高準確性，通常采用指定LED以特殊的安裝方向進行測試，或者將系統(tǒng)設計成待測光源直接朝向探測端口或背向端口方式。但是一個角度無法解決所有問題，不同發(fā)光角度的LED的測試以及反射率等影響仍然需要解決。

Labsphere公司在設計LED測量系統(tǒng)時，根據(jù)實際使用中對測量準確性的影響因素進行了全面優(yōu)化，使系統(tǒng)對LED方向的敏感度降到最小。即在測量過程中，無須規(guī)定特殊的角度和方向。即使在極端條件下，使用極強方向性的LED，使用極端條件的放置方式，的測量的結(jié)果仍然保持了良好的一致性。

Labsphere的LED測量系統(tǒng)嚴格按照CIE標準進行設計，積分球內(nèi)表面涂層使用專利技術的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更小。另外在擋板的設計和探測端口的設計方面進行了優(yōu)化，采用了漫射器的裝置，最大限度地降低探測端口對直接反射光的敏感度。在球體內(nèi)表面的結(jié)合部位進行了特殊的考慮。

該LED系統(tǒng)采用了校準的鹵鎢燈作為標準燈，同時采用了輔助燈方案，用于補償待測LED支架與標準燈支架差別對測量結(jié)果帶來的影響。該標準燈在美國Labsphere公司的校準實驗室內(nèi)經(jīng)過嚴格校準而來，該結(jié)果可溯源至NIST。該標準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)。標準燈和輔助燈使用的電源為固定電流的固定功率的驅(qū)動方式，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，針對前面敘述的LED測量結(jié)果準確性問題進行了針對性的測試。測試條件如下：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 方位對應測量結(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%

測量得到的平均光通量值為16.911流明，測量值的標準偏差為：0.3911，得到誤差小于±2.35%。

圖2不同LED放置方位的測量結(jié)果波動曲線

測量過程中所采用的不同測試方位如圖3所示。

圖3LED不同測量方位的定義

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