以积分球为基础的LED光学参数测试准确性的研究.docx

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以积分球为基础的LED光学参数测试准确性的研究

以积分球为基础的LED光学参数测试准确性的研究

于立民 GregMckee

（蓝菲光学LabspherereInc.）

摘要：

根据LED光通量测量的特殊性，在LED测量用积分球设计中进行了独特的优化，同时采用高反射率的漫反射材料，使得系统稳定性及准确性大大提高。

实验结果表明，系统的稳定性及一致性远远高于其他普通LED测试系统。

是真正适合进行LED光学参数测量的系统。

关键词：

LED测量积分球

前言

　　在使用积分球进行光通量测量过程中，与普通光源不同，LED光源的光通量测量在的测试准确性方面对设备提出了很大的挑战。

一方面LED较普通光源通常具有较强的方向性，通常不会在整个空间均匀地发光。

该特性使得LED直射光在积分球表面的分布呈不均匀分布，该不均匀分布又直接导致不同LED的直接反射光相对探测器的反射特性不同。

因为探测器口的位置及挡板的设置是固定的，而不同的反射分布直接表现为信号起伏。

在普通的测量系统中，不同的正向发散角的LED、同一LED不同的放置方向、同一方向不同位置等差异，即使光通量是一致，表现出来的测量值也表现出极大的差异性。

根据客户的验证结果，普通LED测量系统LED的放置方向对光通量测量结果的影响往往超过50%（同一LED在不同方向测量得到的最大信号和最小信号的差异）。

　　在测量不同LED不同发光角度时，由于在积分球内表面的分布差异使得直接反射的分布对探测器的影响也不同，从而直接影响到两者测量的准确性的差异。

如图1所示。

　　另一方面LED测量系统通常使用卤钨灯作为标准光源，使用的标准灯本身与LED无论实在外形上、发光的分布特性上还是光谱特性上都有较大的差异。

因此二者的差异性必须进行必要的修正。

分析：

　　LED的方向性对测量准确性影响的一个重要原因是积分球的内表面反射特性。

在普通的LED测量系统中，积分球表面涂层的反射率和朗伯特性都不是很理想。

一个是反射率偏低，另一个是漫反射特性不好。

低反射率的积分球表面的一个结果就是，LED的直接照射光经过很少的几次反射后就逐渐衰减，而在整个的光混合过程中，直接照射光和直接反射光占了很大的比重，起了主导作用。

而在某些条件下，低反射率材料会在某些条件下挡板的后部探测器处产生强烈的阴影效应。

而导致测量不准确的正是直的反射光和阴影效应。

　　另外较低的漫反射率对信号的衰减非常严重。

由于光测量过程中，光在积分球内多次反射，每次反射都有一定的衰减，而反射率的高和低对光强的影响在多次反射后得以加强。

以反射光在球内进行15次反射为例，如果两者的反射率相差5%，则信号的衰减可能会超过一倍以上。

而实际上积分球内的反射率差别远远不止于此。

　　目前的LED测试系统还没有用于作为标准光源的标准LED，在测量过程中，还是使用校准的稳定驱动的卤钨灯作为标准光源。

由于标准灯的外形结构和待测LED的差别很大，LED支架对光有吸收效应，以及标准灯安装位置与LED安装位置的差别，这些是影响测量结果准确性的重要因素。

解决方案及测试结果：

　　在目前的LED测试系统中，为了克服以上这些问题，提高准确性，通常采用指定LED以特殊的安装方向进行测试，或者将系统设计成待测光源直接朝向探测端口或背向端口方式。

但是一个角度无法解决所有问题，不同发光角度的LED的测试以及反射率等影响仍然需要解决。

　　Labsphere公司在设计LED测量系统时，根据实际使用中对测量准确性的影响因素进行了全面优化，使系统对LED方向的敏感度降到最小。

即在测量过程中，无须规定特殊的角度和方向。

即使在极端条件下，使用极强方向性的LED，使用极端条件的放置方式，的测量的结果仍然保持了良好的一致性。

　　Labsphere的LED测量系统严格按照CIE标准进行设计，积分球内表面涂层使用专利技术的Spectralon@或Spectraflect@作为反射层具有极的反射效率和良好的朗伯反射特性。

在可见光范围内反射率分别大于99%和98%。

良好的反射材料可以保证更好地混合特性和均匀的光分布，使直接照射直接反射特性以及挡板的阴影效应更小。

另外在挡板的设计和探测端口的设计方面进行了优化，采用了漫射器的装置，最大限度地降低探测端口对直接反射光的敏感度。

在球体内表面的结合部位进行了特殊的考虑。

　　该LED系统采用了校准的卤钨灯作为标准灯，同时采用了辅助灯方案，用于补偿待测LED支架与标准灯支架差别对测量结果带来的影响。

该标准灯在美国Labsphere公司的校准实验室内经过严格校准而来，该结果可溯源至NIST。

该标准灯工作在恒定的色温3000K下，保持恒定的光输出通量，提供NIST溯源的光谱辐射通量数据。

标准灯和辅助灯使用的电源为固定电流的固定功率的驱动方式，而不是可调式电源，这样可以最大限度地减小功率飘逸。

长期稳定性好于0.02%，保证了光输出结果的可靠性。

　　在该系统条件下，针对前面叙述的LED测量结果准确性问题进行了针对性的测试。

测试条件如下：

采用高亮度绿色?

5LED，功率约0.35W，发光角度约30?

。

测试的流明值及误差结果如表1及图2所示。

结论

　　LED采用了9个测量方位，分别代表可能的LED放置方式。

其中包含对探测器影响最小和最大的极端情况。

从测量结果看，即使在最极端的情况下,即LED面向探测器开口处与LED背向开口处，光通量测量结果的峰峰值仍然小于5%。

这是一个非常好的测试结果。

在实际应用过程中，由于LED不会采取如此极端情况放置。

在该测试中采用的是简易的测试支架，在包含定位误差的情况下，同一位置测量结果的光通量误差小于0.1%。

实际测试过程中LED的光通量测量重复性误差远小于0.1%。

由此可见Labsphere的LED光学性能系统测量结果可靠、稳定，会对产品的性能给予可靠的保证。

采用这样的标准系统可以对LED的研究、开发及生产起到极大支持作用，是LED行业光学性能测量的理想选择。

　摘　要：

总光通量是评价LED产品极为重要的指标，然而，LED的特殊性质给其总光通量精确测量带来了挑战。

本文针对LED的特性，分析了现有的LED总光通量精确测量方法和设备的优点与不足，介绍了几个国际著名实验室在总光通量测量领域的新进展，同时详述了我国实现LED总光通量基准测量的方法和先进设备。

我国拥有多项核心技术专利的GO-R30002M2D双镜分布光度计，由于性能卓越，受到了国际测光专家的好评，产品自面世以来，迅速得到了国际高端客户的青睐，成为了多个LED高端实验室的标准测量设备。

　　关键词：

光效　总光通量　分布光度计　积分球

中国照明网技术论文·LED技术　　一.LED的特点和总光通量测量的挑战

中国照明网技术论文·LED技术中国照明网技术论文·LED技术　　众所周知，LED具有以下独特的发光性能：

中国照明网技术论文·LED技术　　LED产品对温度十分敏感；LED产品光束一般较窄，且通常采用光源和灯具一体化的设计，传统的相对测量不再适用，而绝对光通量和光强分布测量对方法和设备要求更高；LED产品的发光存在明显的空间颜色不均匀性等。

　　由于LED产品特殊的发光性能，其总光通量的精确测量极具挑战性，LED产品光效测量横向可比性还很不理想。

LED产品总光通量测量已成为各国相关标准研究和制定中的重点关注问题。

中国照明网技术论文·LED技　　二．测量LED总光通量的方法和设备

中国照明网技术论文·LED技术 中国照明网技术论文·LED技2.1利用积分球系统精确测量LED光通量的挑战

中国照明网技术论文·LED技　　积分球系统测量总光通量已被人们所熟知。

但积分球系统中，LED产品的光谱分布和空间光强分布与常用标准灯间存在较大差异，会带来较大的测量误差。

采用同类LED产品定标积分球系统能大幅提高测量精度，但需要更高精度的总光通量测量方法和设备作为LED产品的量值传递基准。

中国照明网技术论文·LED技术　　2.2分布光度计测量LED的总光通量

　分布光度计通过测量LED产品在空间的光强或照度分布，并对全空间积分得到总光通量，根据测量光路安排不同，分为光强积分法和照度积分法。

分布光度计系统对LED产品的外形、尺寸和光束角没有特别限制，但保持LED产品自身温度稳定是十分关键的。

　　2.2.1光强积分法：

中心旋转反射镜式分布光度计

　　中心旋转反射镜式分布光度计已有几十年历史，如图1，被测LED产品必须在相当大的空间范围内绕反射镜反向同步旋转。

除了同步误差不可避免外，该分布光度计中的被测LED产品的温度存在较大的不稳定性：

暗室中往往存在上部温度高而下部温度低的现象，温度差一般在2~5℃，被测LED产品实际工作在交变的环境温度之中，且运转空间越大，温差也越大；

　　被测LED产品在运动中产生气流，导致表面温度大幅变化，热惯性则会进一步加剧这种变化。

由这些不稳定因素带来的测量误差因LED产品的设计不同而不同，严重时可达5%以上，加之中心反射镜所无法避免的原理性误差[4]，对于总光通量测量则可达到10%以上的误差。

2.2.2光强积分法：

灯具旋转式分布光度计

　　灯具旋转式分布光度计是另一种常用分布光度计，它结构简单，如图2所示，被测LED产品绕其自身水平轴和垂直轴旋转，而光度探测器保持静止。

　　在该分布光度计中，被测LED产品仅绕自身中心转动，环境温度变化和周围气流都比中心旋转反射镜式分布光度计小得多，LED产品的稳定性较高，能达到很高的光强分布测量精度，相应的总光通量测量精度也较高。

 中国照明网技术论文·LED技术　　因此，对于LED产品的测量而言，中心旋转反射镜分布光度计除造价高、日常运行成本高、占用空间大以外，各方面的性能均不如灯具旋转式分布光度计。

中国照明网技术论文·LED技术 中国照明网技术论文·LED技术　　2.2.3照度积分法和相应的分布光度计

中国照明网技术论文·LED技术　　照度积分法测量总光通量与光强法测量总光通量的主要区别是不需要很长的测量距离，是多数国家的国家计量实验室实现总光通量基准的方法[1]。

图3为CIE84-1989推荐的照度积分法的典型分布光度计。

被测LED产品处于光度探测器的旋转中心，在光度取样中保持静止的稳定状态，探测器直接接收来自被测LED产品的光束，避免了其它中间环节，可实现极高的总光通量测量精度。

　　目前主要发达国家已经完成或竞相研究利用照度积分法测量LED总光通量的分布光度计。

英国NPL虽已拥有中心旋转反射镜式分布光度计，但为精确测量总光通量和小光源（如LED）的光强，NPL使用图4所示的基于照度积分法的分布光度计。

中国照明网技术论文·LED技术中国照明网技术论文·LED技术

图5所示为德国PTB的新一代分布光度计[2]在测量阵列LED时的照片。

系统具有三个机械臂、每个机械臂有七个可控制轴，实现被测LED产品的悬挂和探测器定位，整个系统精度很高，体积庞大，造价不菲。

　　美国NIST开发了图6所示的分布光谱辐射计系统[3]来定标LED产品总光通量。

美国照明研究中心（LRC）也正在研究开发名为FLUX-O-METER分布光度计系统，以采用照度积分法实现总光通量测量，目前已形成样机。

　　三、我国LED总光通量测量研究进展

中国照明网技术论文·LED技术　　我国在LED产品总光通量方面作了大量的研究和交流工作，且已跻身世界照明光电检测的先进行列，拥有较为完备的积分球测量技术，同时具备了世界上各种常用分布光度计的自主开发生产能力。

中国照明网技术论文·LED技术　　为适应LED产品总光通量的高精度测量要求，我国成功开发了GO-R30002M2D双镜分布光度计，拥有数项核心技术专利。

该系统受到了德国著名分布光度计专家PeterMarx教授的高度赞誉，他不仅在德国专业照明杂志上撰文报道，还以多年的分布光度计研究和开发经验指导远方公司进一步完善GO-R3000的每一个细节。

　　在GO-R30002M2D双镜分布光度计系统面世不长的时间里，该系统就已经被国际著名公司、大学以及部分国家和地区的国家级实验室采用。

远方公司新近在英国COOPER公司和台湾工业研究院建立的GO-R30002M2D双镜分布光度计系统也同样因为其性能卓越，受到了客户和测光专家的特别好评。

　　3.1用GO-R3000实现总光通量的基准测量方法

　　如图9所示的GO-R30002M2D双镜分布光度计系统中具有两面反射镜和两个探测器，用两个反射镜和第一探测器，可以实现极为精确的光强分布测量；用第二探测器可实现照度积分法总光通量的测量，即总光通量的基准测量方法。

具体做法是：

将旋转反光镜和固定反光镜用黑布遮住，第二探测器直接测量包围被测LED产品的虚拟球表面照度。

其测量几何、转角精度、最小角度步长和探测器精度均符合CIE84-1989关于照度分布法测量总光通量的规定，能够实现各种LED产品的总光通量测量的最高精度测量。

　　在测量中，LED产品按规定姿态点燃于旋转中心，具有很高的稳定性，大量实验验证，GO-R3000的在快速测量状态下动态光度重复性为0.1%，明显优于传统的中心反射镜分布光度计的1%~3%的动态光度重复性水平。

中国照明网技术论文·LED技术第二探测器还能以很高精度实现小尺寸LED产品的光强分布测量；对于大尺寸或窄光束角的LED产品的光强分布测量可采用第一探测器，第一探测器接收来自被测光源并先后经过旋转反射镜和固定反射镜的光束，实现精确的远场光强分布（即配光性能）的测量。

中国照明网技术论文·LED技术　　3.2我国LED产品总光通量测量的标准化进展

　　目前我国很多LED产品的相关标准正在制定或准备之中，其中将LED总光通量测量作为重点内容加以详细规定的有：

由全国照明电器标准化技术委员会负责制定的《普通照明用LED模块测试方法》（审定稿），由国家半导体照明工程研发及产业联盟发布的《整体式LED路灯的测量方法》推荐性技术规范等。

这些标准或技术规范中均以照度积分法为LED产品的总光通量的基准测量方法，同时列出了国际通用的其它测量总光通量方法（积分球方法、光强积分法），并对测量设备性能提出了要求，为LED产品的总光通量测量明确了方法。

　　四.小结

　　随着LED的发展，LED产品的光效测量越来越受到人们的重视。

由于LED产品的特殊性，为实现LED产品总光通量的基准测量，各国纷纷将研究重点放在了最基础的照度积分法上。

中国测光界在总光通量测量方面也作了较为全面的研究，获得多项自主专利，站到了世界先进行列。

由于远方公司开发的GO-R30002M2D双镜分布光度计能实现各种LED产品的总光通量基准测量和光强分布的精确测量，性能卓越，受到了国际测光专家和用户的一致好评，产品已出口英国、意大利、德国、土耳其、巴西、美国、台湾等多个国家和地区，建立了多个国际先进测光实验室。

参考文献：

中国照明网技术论文·LED技术　　[1]CIE,TheMeasurementofLuminousFlux,CIEpublication84（1989）

　　[2]G.SauterReviewonnewdevelopmentsinPhotometry,NEWRED,9thInternationalConference（2005）

中国照明网技术论文·LED技术　　[3]Y.OhnoandY.Zong,Proc.Symp.NISTFacilityforTotalSpectralRadiantFluxCalibration Metrology2004,CENAM,Mexico,publishedinCD（2004）.

　　[4]P.Marx,NEWGONIOPHOTOMETERSFORLIGHTING.ENGINEERING

LABORATORIES,Light&EngineeringVol.5,No.4,pp.32-36,1997

灯具的效率  

LED用于通用照明光源，已经逼迫着原有的测试照明性能的测试方法发生改变。

本章将分析灯具效率的基本概念和LED可用于照明灯具的一些技术原因。

照明的能效是光源和灯具结构两方面的结果，结构包括控制系统、电源、其他电子结构、光学因素等。

这些的完整统一才叫做照明设备。

传统认为，光源的能效就体现在灯泡的效率和设备的效率。

灯的效率是指在环境温度25度，标准室内，灯泡产生的流明数量。

光源的光效就是灯的额定流明数除以灯的标准功率，用lm/w来表示。

而灯具的效率就是灯的额定光通量与灯具实际的光通量的比值，是一个百分比值。

灯具的效率是衡量的一种比较合适的方法，只要灯具的可换灯泡能提供比较稳定可靠的光通量值。

但是，灯泡的光通量和灯具的效率测试方法，目前却限制了LED照明的有用性，表现在两个方面：

1）    目前还没有工业标准测试程序来额定LED灯具的性能

2）    灯具的设计以及LED在灯具中的布线等对LED的性能表现都有一个实质性的影响。

这两方面的问题将在下面展开讨论。

受到这些限制，LED灯具如何与传统照明技术进行比较呢?

举个例子，下表比较的就是两种嵌入式筒灯，一个是26瓦的CFL灯，一个是LED灯。

从表可以看出光源数据、灯具实际的数据都有差别。

灯具的光度测量现显示，LED灯具与同功率的CFL数据相当，但是LED灯具的光通量仅有CFL灯的一半。

该表的样品是用目前市场上的直径六英寸的筒灯。

LED筒灯的性能肯定还会迅速提高。

CFL筒灯与LED筒灯的比较

光源

灯泡光通量额定值    1800lm    --

光源功率    26w    3w

LED制造商公布的“流明数”        ~100lm/LED

每个灯具灯泡/LED数量    1    10

灯具的测量值        

灯具的光通量    1062lm    475lm

灯具的测试功率    26w    28w

灯具的效率    59%    47.5%

灯具的光效    40lm/w    17lm/w

LED还没有额定标注：

传统光源（日光灯、荧光灯、高压钠灯）都是有测试流程来额定他们的出光效率的。

相比较而言，LED还没有这样的标准。

LED光输入估值主要是依据流过LED的瞬间（1秒内）功率脉冲，通常连接温度控制在25度。

LED芯片在封装过程中要考虑出光效率和颜色，如果LED没有散热装置，时间一长就会损坏。

LED生产商通常会在产品数据参数里标明“最小”和“典型的”出光效率。

对于测试环境没有标准，对于“典型的”这个词也没有标准界定。

对于LED灯具的出光效率也没有标准，例如许多LED装在一个集成电路板上的情况。

灯具设计的影响：

所有的光源中，都有一个额定的光效与实际光效的差值。

传统光源安装在灯具上相对来说更好预测，因为传统光源可以在更多的灯具、更广的应用范围和使用环境中很好记录和理解。

LED技术仍然还出去一个发展的初期阶段，因此，有关性能的经验、记录资料等几乎都没有。

LED的效率受散热和光学设计的影响很大，因此这也使得LED灯具的设计显得相对重要。

要保证必要的光输出和LED的使用寿命，LED的散热管理要特别关注，尤其要求将灯具的外壳作为一个散热器，或者至少要作为一个热传递设计的环节。

灯具设备因此对于LED的光通量和光衰的时间比有至关重要的影响。

将LED安在替换灯，如爱迪生式的反射灯或者MR-16灯，理论上已经设计好了可以为LED提供必要的散热器，但是如果直接安装在不是为LED专门设计的灯具上，好的散热系统是很大的挑战。

总的来说，光通量，或者说光效，应该在灯具设备层面上来测量。

原因有两个：

1）没有标准的流程来额定LED本身的这些数据；2）灯具发出的光通量不能依据LED的已知信息来可靠的预测到。

灯具设备的效率已经被照明行业采用来测量LED的性能，它也为新的测试方法提供一些依据。

新的测试方法：

LM-79

照明工业期待北美照明工业协会（IESNA）的照明测试方法和流程。

这些测试定为“LM”,是照明测试两个词的缩写，后面是序列数字，和采用的年份和版本。

该方法由IESNA下的测试委员会指定，该委员会的成员包括了行业中的代表企业，研究机构和测试实验室。

初稿标题为“IESNA固态照明产品允许的电光测试方法”，特指为LM-79，是由IESNA和ANSI固态照明委员会联合制定。

主要内容包括：

1.    覆盖灯具包括光源和光源用作灯具（如：

LED更新产品）

2.    光学测试方法采用积分球的相对测量法，分布光度计的绝对测量法和分光辐射测试法

3.    光学信息测试包括：

总的光通量（流明），发光亮度（坎特拉）（一个方向或多个方向），色度坐标，色温（CCT），和显色指数（CRI）

4.    电学信息测试包括：

电流、电压、功率

5.    产品一定要稳定，在测试前要达到热平衡