球式光度計是一種快速有效的 LED產(chǎn)品光通量和光效測量的裝置，它涉及到 LED產(chǎn)品的光通量測量、產(chǎn)品檢測和企業(yè)質(zhì)量控制部門，是目前 LED光通量和光效檢測的主要設(shè)備。怎樣合理地利用球形光度計獲得準(zhǔn)確的光通量是人們普遍關(guān)注的問題。本論文試圖探討球型光度計測量 LED總光通量的技術(shù)要點。
圓球測光儀原理
球型光度計是一種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。將光源 S放在積分球內(nèi)(普通位置為球中心位置4π度，或球壁附近2π度測量)，光探頭 D在球壁上貼著探測孔。孔洞位于球壁上，并放置有散射器。探測器 D是光度探針，它的輸出電流經(jīng) I/V轉(zhuǎn)換成電壓，后在讀數(shù)儀 R上顯示；若探頭 D為光纖收集面，其采集光后通過光纖連接光譜輻射計，根據(jù)測得的可見光區(qū)域的光譜功率，利用光譜光視效率函數(shù)計算出總光通量。還有兩種方法結(jié)合使用，即同時使用光度探頭和光譜輻射計，用光度探頭測量其通量，而光譜輻射計則測量其光譜功率分布。
1a、球狀光度計(以光計探測系統(tǒng))結(jié)構(gòu)示意圖
1b、球型光度計(探測系統(tǒng)為光譜輻射計)結(jié)構(gòu)示意圖
積球?qū)觾?nèi)均采用白色漫反射材料進(jìn)行涂布，材料要求漫反射特性好，無光譜選擇性。光源 S發(fā)出的總光通量為φ，反射率為ρ，比球半徑為 R?；?/span>積分球理論，光源S在球壁上產(chǎn)生的照度對一定的積分球， R和ρ是固定的。因此，上式表示，由于積分球內(nèi)壁的多次漫反射，光源在球內(nèi)壁上各點產(chǎn)生的間接照度值相等，并與光源的總光通量成正比。在圖1中，擋板 B的作用是阻止光源 S直接照射到探測器 D。如果積分球內(nèi)移除擋板 B，來自光源的光就會直接照射到探頭 D上，此時探針 D位置的照度取決于光源在這個方向上的發(fā)光強(qiáng)度。球體內(nèi)壁各點照度值不相等，且不與光源總光通量成正比。
依據(jù)(1)公式(1)通過比較燈號與標(biāo)準(zhǔn)燈號之間的光通量，可測量被測燈的總光通量。
其中 Rtest是標(biāo)準(zhǔn)燈的光電讀數(shù)， Rstd是標(biāo)準(zhǔn)燈的光電讀數(shù)，φ std是標(biāo)準(zhǔn)燈的總光通量值， C是光通量常數(shù)。
LED特性
發(fā)光二管是新一代節(jié)能光源，具有能、長壽命、色彩豐富、動態(tài)調(diào)節(jié)范圍廣等特點，是一種實現(xiàn)節(jié)能減排的高新技術(shù)產(chǎn)品。一般來說，與傳統(tǒng)白熾燈相比， LED燈有以下幾個特點：
（1）色溫譜差異較大。經(jīng)典的白光 LED是由藍(lán)光激發(fā)黃綠熒光粉，混光得到白色。典型 LED和白熾燈的發(fā)光光譜這一特性使球形光度計測量時，需要對光譜光視效率函數(shù)進(jìn)行失配修正。
（2）不均勻的空間發(fā)光。單個 LED具有強(qiáng)的指向性，空間發(fā)光強(qiáng)度分布曲線與白熾燈明顯不同。這種特性使得球形光度計測量時需要引入積分球的空間響應(yīng)函數(shù)。
（3）結(jié)點溫度影響較大。因為 LED的發(fā)光芯片依賴于 PN結(jié)的溫度，所以 LED的光通量受到環(huán)境溫度、散熱條件和預(yù)熱時間的影響。只需5分鐘左右的白熾燈就能達(dá)到熱平衡，而且對周圍的溫度不敏感。這種特性使測量 LED光通量需要充分預(yù)熱，并能維持規(guī)定的點火姿態(tài)和環(huán)境溫度。
LED總光通量測量關(guān)鍵技術(shù)要點
（1）所使用的標(biāo)準(zhǔn)燈量值可靠，檢定或校準(zhǔn)證書在有效期內(nèi)。
我國目前使用的標(biāo)準(zhǔn)燈是 BDT、 BDP型標(biāo)準(zhǔn)白熾燈，這幾種燈量是穩(wěn)定、可靠的，能地測量出通量數(shù)值。另外，采用分布溫度標(biāo)準(zhǔn)的高色溫標(biāo)準(zhǔn)光源覆蓋可見光區(qū)域，可以有效地校準(zhǔn)球形光度計中的輻射光譜。
（2）良好的實驗室環(huán)境和足夠的預(yù)熱時間，提高 LED的量值重復(fù)性。
因為 LED容易受到環(huán)境溫度的影響，所以需要有潔凈恒溫的實驗室條件。作者在日常 LED光源測試中，為達(dá)到熱平衡， LED燈泡等光源的預(yù)熱時間為5分鐘，以0.5-1小時為宜。經(jīng)過選擇，完全老化后 LED光源的重復(fù)性可以達(dá)到0.5%以上。
（3）設(shè)備性能優(yōu)良。
為使實際所用的積分球接近理想狀態(tài)，在滿足光度探測靈敏度要求的情況下，積分球直徑應(yīng)盡可能大。積分球內(nèi)涂層材料必須清潔、均勻，反射性滿足 CIE 84-1989 The measurement of luminous flux的要求；內(nèi)部支架和夾具不能在燈上形成遮擋，并且必須噴上漫反射涂層。隔板位置合適，并保證被測光源不直接照射探測器的情況下，取面積。光檢測器性能良好，如果用 V (λ)修正的光度探頭，則f1’必須足夠小(實驗室級)；如果光度檢測器是輻射光譜儀，其雜散光小，波長位置誤差小，動態(tài)范圍大，線性良好。
（4）光譜視效率函數(shù)的失配修正。
在用光度探針檢測時，其實際響應(yīng)曲線與理想光譜的光視效率函數(shù) V (λ)有差異。另外，積分球內(nèi)部的漫射層和窗口上的毛玻璃對光譜的反射率并不是理想的平面曲線。上述因素使球形光度計的響應(yīng)曲線偏離了 V (λ)，帶來了 V (λ)失配誤差?？筛鶕?jù)以下計算和不匹配修正測量誤差來估計：
其中Ptest (λ)是被測光源的相對光功率分布， Pstd (λ)表示標(biāo)準(zhǔn)燈泡的相對光譜功率分布，而 S (λ)是積分球內(nèi)壁的光譜漫反射比。舉例來說，如果用 BDP來標(biāo)定某一球形光度計，修正系數(shù)為1.01；若要測量藍(lán)色 LED燈，則其系數(shù)可達(dá)1.10或更高。
（5）整球空間響應(yīng)函數(shù)修正。
在測試 LED與標(biāo)準(zhǔn)燈的正規(guī)化光強(qiáng)空間分布曲線有明顯差異時，該修正系數(shù)需要特別注意。因為球形光度計的內(nèi)部涂層不均勻和內(nèi)部元件(例如擋屏)的存在，光照在積分球內(nèi)球壁上不同區(qū)域的檢測器所產(chǎn)生的照度值不相等，即積分球空間響應(yīng)分布函數(shù)(Spatial response distribution function, SRDF)：
K (θ，φ)表示在積分球內(nèi)球心位置向(θ，φ)投射定量窄光束到球內(nèi)壁，經(jīng)過多次漫反射后，探測器的讀數(shù)。通常可以將 K (0,0)作為單位1。
積分球的空間響應(yīng)分布函數(shù)修正系數(shù)可以寫為：
Itest (θ，φ)和 Istd (θ，φ)分別代表了被測 LED和標(biāo)準(zhǔn)燈的標(biāo)準(zhǔn)化光強(qiáng)空間分布曲線。由(5)公式可知，若積分球體內(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)，且被測 LED燈與標(biāo)準(zhǔn)燈的光強(qiáng)空間分布曲線有明顯差異。舉個例子，如果用 BDP來標(biāo)定一個球型光度計，再測量一個 LED射燈，修正系數(shù)可以達(dá)到1.10。
（6）自吸收修正
檢測到的 LED與標(biāo)準(zhǔn)燈的外形尺寸相差較大或狀態(tài)有明顯差異時，應(yīng)計算吸收校正系數(shù)。將球內(nèi)適當(dāng)位置(一般在球壁上)點亮一個發(fā)光穩(wěn)定的輔助燈，以阻擋它向窗口和被測燈發(fā)出的光線。將標(biāo)準(zhǔn)燈管放置在正常安裝光源的位置，當(dāng)檢測器讀數(shù)為 Astd時，取下標(biāo)準(zhǔn)燈位，將被測 LED置于同一位置，探測器讀數(shù)為 Atest，則計算公式為：
（7）基準(zhǔn)燈采用 LED量值傳遞，避免上述修正，使測量過程簡單可靠。
若用光源和標(biāo)準(zhǔn)光源的總光通量、歸一化光強(qiáng)空間分布曲線、發(fā)光光譜等參數(shù)比較接近，則上述三種校正系數(shù)均接近1，可以忽略。推薦選用量值穩(wěn)定的發(fā)光二管傳輸標(biāo)準(zhǔn)燈，直接應(yīng)用公式(2)計算光通量。
概要
球形光度計符合上述各項硬件要求、操作者能保持積分球清潔、注意接近被測燈與標(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 LED燈的總光通量結(jié)果誤差完全可控。當(dāng)被測燈與標(biāo)準(zhǔn)燈(或發(fā)光二管傳遞參考燈)在光譜、光強(qiáng)空間分布或外形有較大差異時，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修正，以降低測量不確定度。
