專利名稱：采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的led光通量測試裝置及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光源測試領(lǐng)域，涉及采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源測試LED光通量的裝置及其測試方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體技術(shù)繼引發(fā)了微電子革命之后，又在孕育著一場新的產(chǎn)業(yè)革命---照明革命。發(fā)光二極管(LED)的特點(diǎn)使其在顯示及特種照明等領(lǐng)域獲得很大的應(yīng)用。但是LED理論上的高光效使其潛在的巨大應(yīng)用前景是普通照明市場。因此，在國家的十一五規(guī)劃中，明確將高光效的LED發(fā)展作為重點(diǎn)加以支持，除支持提高LED光效的上游技術(shù)研究外，也對LED光效等技術(shù)指標(biāo)的檢測技術(shù)等予以支持。
光源的光效的測試實(shí)際上難點(diǎn)在光通量的測試。由于LED的特點(diǎn)，盡管國際照明委員會(CIE)及美國、加拿大等計(jì)量研究機(jī)構(gòu)建議了LED光通量的測試方法，但國際上至今未有公認(rèn)的能與傳統(tǒng)光源光通量測試方法相近的簡易測試方法。
現(xiàn)有LED光通量測試方法存在的問題，包括(1)采用光電池探測器由于無法對LED實(shí)現(xiàn)視見函數(shù)V(λ)在所有光譜點(diǎn)的準(zhǔn)確匹配，特別是現(xiàn)有探測器在藍(lán)、紅波段誤差較大，造成測試誤差；(2)采用傳統(tǒng)方法積分球內(nèi)如放置光源、擋屏?xí)r，由于測試LED的光通球一般很小，甚至只有直徑5cm，積分球理論將無法滿足，因而造成測試原理性誤差；(3)如放置表面，向四面發(fā)光的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)燈將無法采用，而采用LED標(biāo)準(zhǔn)燈又存在無法實(shí)現(xiàn)光譜定標(biāo)的問題。
這些問題，使LED光通量的測試一直存在分歧，因而也影響了對LED性能的判別，不利于LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
因此，當(dāng)前國內(nèi)外對LED光通量測試的研究，主要集中于如下幾點(diǎn)(1)探測器的V(λ)匹配精度對LED光通量測試精度的影響。由于LED是窄帶光譜(單色LED)對V(λ)匹配的局部誤差(特別是V(λ)較小時(shí))將有很大影響，必修做光譜分布修正；(2)測試LED的光通量的積分球一般均較小，這樣球內(nèi)的任何物件都將影響測試結(jié)果；(3)LED是對溫度敏感的器件，測試時(shí)必須保持LED的溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量的測試裝置及相應(yīng)的測試方法，實(shí)現(xiàn)對LED光通量的精密測試。
本發(fā)明采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源(光通量標(biāo)準(zhǔn)及光譜標(biāo)準(zhǔn))放置積分球表面。窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源是特別為LED光通量測量設(shè)計(jì)的，適用于放在積分球表面內(nèi)壁的光源，其特殊的結(jié)構(gòu)將球壁對光源光通量的吸收降到最低；球內(nèi)無任何遮擋，可以避免擋屏等遮擋物的自吸收。
光源發(fā)出的光通過窄通光孔徑的光纖引出到多通道微型光譜儀器，進(jìn)行光譜能量分布測試并進(jìn)而計(jì)算光通量，實(shí)現(xiàn)對光通量的精密測試。窄通光孔徑的光纖可以濾去LED的直射光線，使積分球理論得到滿足；多通道光譜儀系統(tǒng)可以對V(λ)曲線進(jìn)行修正，使得探測器的響應(yīng)與人眼對光譜的響應(yīng)達(dá)到一致。
本發(fā)明提供了一種采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量測試裝置，包括積分球、光源、窄通光孔徑的光纖、光譜儀和電源，光源置于積分球內(nèi)表面，窄通光孔徑的光纖穿過積分球的開孔連接微型光譜儀，電源與光源連接并點(diǎn)亮光源，積分球內(nèi)只有光源，積分球的內(nèi)壁涂白色漫反射層，分球內(nèi)壁各點(diǎn)的漫反射是均勻的。較好的，該積分球設(shè)計(jì)服從朗伯定律。
本發(fā)明中，采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)，其余條件采用常規(guī)的定標(biāo)操作方法。
本發(fā)明中，采用窄通光孔徑的光纖將光從積分球傳送到微型光譜儀進(jìn)行測試。
本發(fā)明中，積分球的直徑視光源的功率而定，而光纖、微型光譜儀等可以根據(jù)具體測試要求和實(shí)驗(yàn)室條件選用。
另一方面，本發(fā)明提供了一種采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量的測試方法，包括標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)、LED樣品光源測定和測定結(jié)果處理，將標(biāo)準(zhǔn)光源作為光譜與光通量的雙重定標(biāo)光源，以標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜能量分布作為測試的標(biāo)準(zhǔn)值；被測LED取代標(biāo)準(zhǔn)光源，置于同一積分球內(nèi)表面并點(diǎn)亮，測得被測LED的相對光譜能量分布；根據(jù)被測LED與標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜能量分布比較計(jì)算被測LED的光通量值。
本發(fā)明中，積分球的內(nèi)壁涂白色漫反射層，分球內(nèi)壁各點(diǎn)的漫射是均勻的，并服從朗伯定律。
本發(fā)明中，采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)，被測LED和標(biāo)準(zhǔn)光源放于積分球表面，積分球內(nèi)無任何遮擋物。
本發(fā)明中，采用窄通光孔徑的光纖將光從積分球傳送到微型光譜儀進(jìn)行測試。
本發(fā)明中，光通量定標(biāo)采用角分辨率小于0.2度，探測器V匹配誤差小于3％的分布光度計(jì)測試。
本發(fā)明中，光譜定標(biāo)時(shí)，在積分球表面開口放置該窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源，球內(nèi)放置普通色溫標(biāo)準(zhǔn)燈。
本發(fā)明中，光譜儀可以采用波長范圍是200nm～1100nm的多通道微型光譜儀。
具體而言，本發(fā)明的測試方法如下1.窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的定標(biāo)由于該標(biāo)準(zhǔn)光源作為光譜與光通量的雙重定標(biāo)光源，因此必須考慮對該光源的光譜能量分布及總光通量的定標(biāo)傳遞。
光通量定標(biāo)用小型分布光度計(jì)測試，采用角分辨率小于0.2度，探測器V(λ)匹配誤差小于3％，儀器穩(wěn)定性好的分布光度計(jì)。該方法可用于傳遞光通量標(biāo)準(zhǔn)。
光譜定標(biāo)用小型積分球，在積分球表面開口放置該窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源，球內(nèi)放置色溫接近(2800K)的普通色溫(光譜分布)標(biāo)準(zhǔn)燈，以傳遞光譜能量分布標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。
先將窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源放于積分球表面點(diǎn)亮，用光譜儀測試，輸入標(biāo)準(zhǔn)光源的光通量、色溫值，并在軟件中記錄標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜，將標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜能量分布作為測試的標(biāo)準(zhǔn)值存盤。
2.被測LED的測試如圖1所示測試裝置，將被測LED放入同一積分球表面點(diǎn)亮，用光譜儀測試出被測LED的相對光譜能量分布，并根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)光源的比較計(jì)算被測LED的光通量值。
3.計(jì)算公式或計(jì)算方法積分球?yàn)閮?nèi)壁涂白色漫反射層的完整球殼。光源放在球內(nèi)任意位置。積分球內(nèi)壁各點(diǎn)的漫射是均勻的，并服從朗伯定律，漫射率為ρ，球內(nèi)徑為r，球心在o，光源的總光通量為Φ。光通量指人眼所能感覺到的輻射能量，它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。由于人眼對不同波長光的相對視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時(shí)，其光通量并不相等。例如，當(dāng)波長為555×10-7米的綠光與波長為65×10-6米的紅光輻射功率相等時(shí)，前者的光通量為后者的10倍。光通量的單位為“流明”，是英文lumen的音譯，簡寫為lm。光通量通常用Φ來表示，絕對黑體在鉑的凝固溫度下，從5.305*103cm2面積上輻射出來的光通量為1lm。光源S在球內(nèi)各點(diǎn)建立的照度是不同的，球壁上任意位置M點(diǎn)的照度由多次照度疊加而成。
如圖4所示，設(shè)S在球內(nèi)點(diǎn)A建立的照度為Ea，將A考慮為一個(gè)二次發(fā)光體。則A點(diǎn)附近面積元da因一次漫射光線在M點(diǎn)附近產(chǎn)生的二次照度為dE2為dE2=ρEα·dS4πr2]]>整個(gè)球面在M點(diǎn)引起的二次照度為E2=∫sdE2=ρ4πr2∫sEαdS=ρ·Φ4π·r2]]>二次漫射光線在M點(diǎn)建立的三次照度為E3＝ρ·E2因此在球內(nèi)任一點(diǎn)M引起的照度E為E＝E1+E2+E3+....
所以可得出M點(diǎn)的照度E=E1+Φ4πr2·ρ1-ρ]]>加擋屏后的球內(nèi)壁各點(diǎn)照度dE2=ρ·Eα·dS4π·r2]]>對于一定的球，r和ρ為常量，在球壁上任何位置的照度(擋去一次照度后)與光源s的總光通量成正比，因此我們可以測量光通量球壁開的小窗口上的照度來計(jì)算光源的總光通量。
光通量測量最方便的辦法是比較法，分別在球內(nèi)依次點(diǎn)亮標(biāo)準(zhǔn)燈和待測燈，他們在球窗口上的照度分別為ES和EX，而探測器產(chǎn)生的電流分別為IS和IX，因此ΦX=EXESΦS]]>如果探測器工作在線性范圍，則IS和IX分別與ES和EX成正比，則由從理論推算可以知道，無論光源在積分球內(nèi)的什么位置，接收器上得到的信號ΦX=IXISΦS]]>值是一樣的，也就是說接收器上的信號值是一個(gè)與光源位置無關(guān)的量。在傳統(tǒng)光源的積分球測量中，往往將光源置于積分球的中心位置。LED作為新型的光源，其自身具有一定的特殊性1.LED輸出的總光通量隨其自身溫度的升高而迅速降低。工作中的LED必需有良好的散熱才能保證其輸出光通量的穩(wěn)定，而積分球內(nèi)的密閉空間無法滿足其散熱的需要。
2.LED體積雖小但其點(diǎn)燈裝置在積分球中引入的光通自吸收不可忽略。若依舊比照傳統(tǒng)光源在積分球中心點(diǎn)燃的測量模式，LED的上述特性必然給測量結(jié)果帶來誤差。
本發(fā)明將標(biāo)準(zhǔn)光源和被測LED都放在積分球表面，避免了LED點(diǎn)亮?xí)r溫升所帶來的光通量下降，LED點(diǎn)燈裝置的外置盡可能的滿足了積分球原理，將點(diǎn)燈裝置的自吸收降到了最低，對于窄配光的LED光源使用窄通光孔徑的光纖，由于幾乎沒有發(fā)自LED的一次光線直接射入光纖探頭，因此擋屏便不再需要了，進(jìn)一步滿足了積分球原理。
本發(fā)明的采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量的測試裝置是由無檔屏的積分球、被測LED、標(biāo)準(zhǔn)光源、電源、窄通光孔徑的光纖、CCD微型多通道光譜儀幾個(gè)部分構(gòu)成。本發(fā)明采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源光通量標(biāo)準(zhǔn)及光譜標(biāo)準(zhǔn)放置積分球表面，球內(nèi)無任何遮擋，通過窄通光孔徑的光纖引出被測光到微型多通道光譜儀器，進(jìn)行光譜能量分布測試并進(jìn)而計(jì)算光通量，實(shí)現(xiàn)對光通量的精密測試。
本發(fā)明有以下一些特點(diǎn)A.采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源；B.標(biāo)準(zhǔn)光源放置積分球表面，球內(nèi)無任何遮擋；C.窄通光孔徑的光纖將被測光引到微型多通道光譜儀器。
D.采用多通道微型光譜儀進(jìn)行光譜能量分布測試，對V(λ)曲線進(jìn)行修正。
本發(fā)明的裝置使用簡便，誤差小，成本低，可實(shí)現(xiàn)對LED光通量的精密測試。


圖1是采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量的測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的專用于積分球內(nèi)壁放置的窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源示意圖。
圖3是窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜能量分布定標(biāo)示意圖。
圖4是為計(jì)算公式推導(dǎo)假設(shè)的積分球示意圖。
圖中，1是積分球；2是光源，包括被測LED或者標(biāo)準(zhǔn)光源；3是窄通光孔徑的光纖；4是微型光譜儀器；5是電源，6是擋屏；7為普通標(biāo)準(zhǔn)光源；8為窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所用元件如下LED被測LED光源；標(biāo)準(zhǔn)光源采用鹵鎢燈、經(jīng)光學(xué)設(shè)計(jì)的窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源；普通標(biāo)準(zhǔn)光源普通已知光通量的白熾燈；積分球無擋屏積分球；光纖窄通光孔徑的光纖；光譜儀采用CCD多通道微型光譜儀；電源恒流電源。
實(shí)施例1 采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量的測試裝置本發(fā)明的采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量的測試裝置是由無檔屏的積分球、被測LED、標(biāo)準(zhǔn)光源、電源、窄通光孔徑的光纖、CCD微型多通道光譜儀幾個(gè)部分構(gòu)成。
1.標(biāo)準(zhǔn)光源窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源不是為了模擬LED，而是為了使該標(biāo)準(zhǔn)光源的所有發(fā)光能進(jìn)入積分球內(nèi)。同時(shí)，該窄光束出光孔徑必須與積分球入孔很好地匹配。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)光源必須具有良好地時(shí)間穩(wěn)定性，光譜必須豐富。且易于標(biāo)定。我們采用2800K左右色溫的鹵鎢燈，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)出射窄光束。如圖2所示。
2.CCD多通道光譜儀傳統(tǒng)的光度量(光通量、光強(qiáng)、照度、亮度等)測試一般采用硅光電池加濾光片修正實(shí)現(xiàn)V(λ)匹配，但這種匹配是很近似的，而且在V(λ)的較低值其相對誤差將更大。對連續(xù)光源的光通量等測試，這種匹配誤差造成的最終光通量測試誤差是較小的。但對LED，特別是單色LED，將有可能造成很大的誤差。因此，采用光譜儀器測試光譜能量分布并據(jù)此計(jì)算光通量的方法將更為合理。由于LED光通量測試裝置(儀器)一般較小，所以本發(fā)明采用多通道的微型光譜儀器將是一可行的辦法。該微型光譜儀是高性能的小型便攜式短波(200nm～1100nm)光譜儀。探測器采用光電二極管陣列。主要性能指標(biāo)如下

儀器組裝過程按照圖1進(jìn)行組裝，被測LED或標(biāo)準(zhǔn)光源放置在積分球表面，積分球內(nèi)不加擋屏，通過窄通光孔徑的光纖引出被測光到微型多通道光譜儀器，進(jìn)行光譜能量分布測試并進(jìn)而計(jì)算光通量的方法，實(shí)現(xiàn)對光通量的精密測試。
實(shí)施例2 測試實(shí)例測試方法主要包括標(biāo)準(zhǔn)光源的定標(biāo)、LED樣品的測試和測試結(jié)果的處理等步驟。
1.窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的定標(biāo)由于該標(biāo)準(zhǔn)光源作為光譜與光通量的雙重定標(biāo)光源，因此必須考慮對該光源的光譜能量分布及總光通量的定標(biāo)傳遞。
光通量定標(biāo)用小型分布光度計(jì)測試，采用角分辨率小于0.2度，探測器V(λ)匹配誤差小于3％，儀器穩(wěn)定性好的分布光度計(jì)。該方法可用于傳遞光通量標(biāo)準(zhǔn)。
光譜定標(biāo)用小型積分球，在積分球表面開口放置該窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源，球內(nèi)放置色溫接近的普通色溫(光譜分布)標(biāo)準(zhǔn)燈，以傳遞光譜能量分布標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。
2.被測LED的測試如圖1所示測試裝置，先將窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源放于積分球表面點(diǎn)亮，用光譜儀測試，輸入標(biāo)準(zhǔn)光源的光通量、色溫值，并記錄標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜，將標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜能量分布作為測試的標(biāo)準(zhǔn)值存盤；將被測LED放入同一積分球表面點(diǎn)亮，用光譜儀測試出被測LED的相對光譜能量分布，并根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)光源的比較計(jì)算被測LED的光通量值。
3.計(jì)算結(jié)果按照下面的公式計(jì)算被測LED的光通量。ΦX=IXISΦS]]>以一個(gè)20mA白光LED為例，測試結(jié)果光通量3.03lm。
實(shí)施例3 測試結(jié)果比較用美國進(jìn)口的labspere的LED-1100分布式光度計(jì)測出LED的光強(qiáng)分布曲線，計(jì)算得出LED的光通量值為3.05lm，用傳統(tǒng)的儀器測試得出結(jié)果為2.78lm。

可以看出，采用本發(fā)明的測試方法誤差為0.6％，而采用傳統(tǒng)方法由于光源和檔屏的自吸收，誤差為8.85％。
權(quán)利要求
1.一種采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量測試裝置，包括積分球、光源、窄通光孔徑的光纖、光譜儀和電源，其特征在于，光源置于積分球內(nèi)表面，窄通光孔徑的光纖通過積分球的開孔連接微型光譜儀，電源與光源連接并點(diǎn)亮光源，積分球的內(nèi)壁涂白色漫反射層，積分球內(nèi)壁各點(diǎn)的漫反射是均勻的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，采用窄通光孔徑的光纖將光從積分球傳送到微型光譜儀進(jìn)行測試。
3.一種用權(quán)利要求1所述裝置測試LED光通量的方法，包括標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)、LED樣品光源測定和測定結(jié)果處理，其特征在于，將標(biāo)準(zhǔn)光源作為光譜與光通量的雙重定標(biāo)光源，以標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜能量分布作為測試的標(biāo)準(zhǔn)值；然后，被測LED取代標(biāo)準(zhǔn)光源，置于同一積分球內(nèi)表面并點(diǎn)亮，測得被測LED的相對光譜能量分布；最后，根據(jù)被測LED與標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜能量分布比較計(jì)算被測LED的光通量值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測試方法，其特征是采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)，被測LED和標(biāo)準(zhǔn)光源放于積分球內(nèi)表面，積分球內(nèi)無任何遮擋物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測試方法，其特征在于，光通量定標(biāo)采用角分辨率小于0.2度、探測器V匹配誤差小于3％的分布光度計(jì)測試。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測試方法，其特征在于，光譜定標(biāo)時(shí)，在積分球表面開口處放置該窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源，球內(nèi)放置普通色溫標(biāo)準(zhǔn)燈。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測試方法，其特征在于，光譜儀采用波長范圍是200nm～1100nm的多通道微型光譜儀。
全文摘要
本發(fā)明屬于光通量測試領(lǐng)域，涉及采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量的測試裝置及其測試方法。本發(fā)明的采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量的測試系統(tǒng)，包括積分球、光源、窄通光孔徑的光纖、光譜儀和電源。電源與光源連接并點(diǎn)亮光源，窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源(光通量標(biāo)準(zhǔn)及光譜標(biāo)準(zhǔn)光源)放置積分球內(nèi)表面，球內(nèi)無任何遮擋，通過窄通光孔徑的光纖將被測光引到微型多通道光譜儀器，進(jìn)行光譜能量分布測試并進(jìn)而計(jì)算光通量的方法，實(shí)現(xiàn)對光通量的精密測試。本發(fā)明的裝置使用簡便，誤差小，成本低，可實(shí)現(xiàn)對LED光通量的精密測試。
文檔編號G01J1/08GK1959366SQ20061011891
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者劉木清, 周小麗, 李文宜, 張萬路, 葛愛明, 孫耀杰 申請人:復(fù)旦大學(xué)