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際上難點在光通量的測試。由于LED的特點，盡管國際照明委員會(CIE)及美國、加拿大等計量研究機(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實現(xiàn)視見函數(shù)V(λ)在所有光譜點的準(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(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)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)而計算光通量，實現(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)壁各點的漫反射是均勻的。較好的，該積分球設(shè)計服從朗伯定律。
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)具體測試要求和實驗室條件選用。
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％的分布光度計測試。
本發(fā)明中，光譜定標(biāo)時，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。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)光源的比較計算被測LED的光通量值。
3.計算公式或計算方法積分球為內(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，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，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)各點建立的照度是不同的，球壁上任意位置M點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A建立的照度為Ea，將A考慮為一個二次發(fā)光體。則A點附近面積元da因一次漫射光線在M點附近產(chǎn)生的二次照度為dE2為dE2=ρEα·dS4πr2]]>整個球面在M點引起的二次照度為E2=∫sdE2=ρ4πr2∫sEαdS=ρ·Φ4π·r2]]>二次漫射光線在M點建立的三次照度為E3＝ρ·E2因此在球內(nèi)任一點M引起的照度E為E＝E1+E2+E3+....
所以可得出M點的照度E=E1+Φ4πr2·ρ1-ρ]]>加擋屏后的球內(nèi)壁各點照度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點亮?xí)r溫升所帶來的光通量下降，LED點燈裝置的外置盡可能的滿足了積分球原理，將點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)而計算光通量，實現(xiàn)對光通量的精密測試。
本發(fā)明有以下一些特點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，該窄光束出光孔徑必須與積分球入孔很好地匹配。同時，該標(biāo)準(zhǔn)光源必須具有良好地時間穩(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)而計算光通量的方法，實現(xiàn)對光通量的精密測試。
實施例2 測試實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。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)光源的比較計算被測LED的光通量值。
3.計算結(jié)果按照下面的公式計算被測LED的光通量。ΦX=IXISΦS]]>以一個20mA白光LED為例，測試結(jié)果光通量3.03lm。
實施例3 測試結(jié)果比較用美國進(jìn)口的labspere的LED-1100分布式光度計測出LED的光強(qiáng)分布曲線，計算得出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，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)而計算光通量的方法，實現(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)