基于積分球的led光通量測(cè)量誤差分析

基于積分球的led光通量測(cè)量誤差分析

光光裕光測(cè)試的困難在于光的特性。與傳統(tǒng)的光源相比，由于光的特殊性，國(guó)際照明委員會(huì)（cie）和美國(guó)、加拿大等國(guó)家的測(cè)量研究機(jī)構(gòu)提出了兩種燈光裕光的測(cè)量方法，但之前的測(cè)量方法與傳統(tǒng)的光源光度法類似。現(xiàn)有LED光通量測(cè)試方法存在的問題,包括:①采用光電池探測(cè)器無法對(duì)LED實(shí)現(xiàn)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(cè)器在藍(lán)、紅波段誤差較大,造成測(cè)試誤差;②沿用傳統(tǒng)光源的光通量測(cè)試方法在積分球內(nèi)放置擋屏等物體,由于測(cè)試LED的積分球一般很小,甚至只有直徑5cm,積分球理論將無法滿足,從而造成測(cè)試原理性誤差;③如果將標(biāo)準(zhǔn)燈放置在積分球的內(nèi)表面,則向四面八方發(fā)光的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)燈將無法使用,而采用LED標(biāo)準(zhǔn)燈又存在難以實(shí)現(xiàn)光譜定標(biāo)的問題.以上這些問題,使LED光通量的測(cè)試尚未有完善且統(tǒng)一的方法,因而也影響了對(duì)LED性能的判別,不利于LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.本文關(guān)注并討論的主要問題是:在測(cè)量LED總光通量的積分球裝置中LED的合理位置,即:LED是否能放置在積分球內(nèi)壁而非球心.1總光通量法的原理LED總光通量的測(cè)量有絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量?jī)煞N方法.相對(duì)測(cè)量法較之絕對(duì)測(cè)量法簡(jiǎn)單易行,設(shè)備投入少.用于光通量相對(duì)測(cè)量的積分球是一個(gè)空心的完整球殼,球內(nèi)壁均勻噴涂白色漫射層,球壁上開一窗口,將待測(cè)光源置于球內(nèi),光源發(fā)出的光經(jīng)內(nèi)壁反射后射到位于窗口探測(cè)器上,探測(cè)器上所得的信號(hào)正比于光源的光通量(具體見圖1).用積分球測(cè)量總光通量法中,做如下假定:①積分球內(nèi)壁是均勻的理想漫反射層,遵從朗伯定律;②積分球內(nèi)各點(diǎn)的漫射系數(shù)相等;③積分球內(nèi)壁的白色顏料對(duì)光源發(fā)出的各種波長(zhǎng)光線具有相同的漫射系數(shù),即球壁的漫射是中性的;④球的直徑各處相同,球內(nèi)除燈泡之外無其他雜物存在.LED光通量的計(jì)算方法是:在積分球內(nèi)光源位置上點(diǎn)亮標(biāo)準(zhǔn)燈,等標(biāo)準(zhǔn)燈穩(wěn)定工作后記下探測(cè)器信號(hào)值is,將標(biāo)準(zhǔn)燈替換為待測(cè)LED,待LED穩(wěn)定工作后記下探測(cè)器信號(hào)值i,則LED的總光通量為:Φ=kiisΦs?(1)Φ=kiisΦs?(1)其中k為色修正系數(shù),Φs為標(biāo)準(zhǔn)燈的總光通量.2積分球內(nèi)光通量的測(cè)量這里需要著重指出的是:在傳統(tǒng)光源的積分球測(cè)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:①LED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.②LED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(cè)量模式,LED的上述特性必然給測(cè)量結(jié)果帶來誤差.但,若將光源的測(cè)試位置置于積分球內(nèi)壁,以上的種種問題便迎刃而解了.以下驗(yàn)證:位于球內(nèi)壁處的光源在光窗處探測(cè)器上產(chǎn)生的照度是否與其總光通量成正比.2.1造成光窗上的照射法具體的點(diǎn)根據(jù)積分球原理,當(dāng)將光源放置在球內(nèi)的任意位置點(diǎn)燃時(shí),光窗位置的照度為:E=E1+Φ4πr2?ρ1-ρ?(2)E=E1+Φ4πr2?ρ1?ρ?(2)其中E為光窗上的照度,單位lx;E1為由光源發(fā)出的光線照射到光窗上產(chǎn)生的直接照度,單位lx;Φ是光源的總光通量,單位lm;r是積分球半徑,單位m;ρ為積分球內(nèi)表面的漫射率.在積分球內(nèi)光源和光窗之間引入擋屏,擋去光源直射光窗的光線,則光窗位置的照度為:E=Φ4πr2?ρ1-ρ?(3)這樣,探測(cè)器信號(hào)值就正比于光源的總光通量.由上式可見:由理論推算出發(fā),無論光源在積分球內(nèi)的什么位置,探測(cè)器上得到的信號(hào)值是一樣的,也就是說探測(cè)器上的信號(hào)值是一個(gè)與光源位置無關(guān)的量.2.2y-z平面內(nèi)光通量的測(cè)量為了進(jìn)一步檢驗(yàn)探測(cè)器信號(hào)值與光源位置的關(guān)系,使用光學(xué)模擬軟件Tracepro建立了積分球、探測(cè)器和LED的簡(jiǎn)化模型,并在這一模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真對(duì)由光源發(fā)出的光線在積分球內(nèi)進(jìn)行追跡從而得到探測(cè)器信號(hào)值的仿真結(jié)果.建模時(shí)具體設(shè)置如下:①積分球模型為一封閉的空心球殼,考慮到球尺寸對(duì)仿真結(jié)果的影響,設(shè)定積分球半徑為150mm;積分球內(nèi)表面反射率為99%.②探測(cè)器簡(jiǎn)化為一圓形平面,參考一般光纖探頭的尺寸,設(shè)定圓形平面半徑為5mm.③考察探測(cè)器信號(hào)值與光源位置的聯(lián)系等同于考察由光源發(fā)射的能量相同而方向不同的光線是否都能在探測(cè)器上得到相同的響應(yīng),故將光源設(shè)定為一個(gè)發(fā)出單向光束的平面光源,其所發(fā)光線均垂直于發(fā)光平面,發(fā)光平面緊貼積分球內(nèi)表面.在Y-Z平面內(nèi)定義光源出射的光線角度從0°始至180°,每隔10°用蒙特卡洛法對(duì)15000條光線做1次光線追跡,從而得到探測(cè)器上接收的光通量Φ(具體見第358頁(yè)圖2).根據(jù)理想積分球理論的假定,探測(cè)器探測(cè)面上接收的光通量Φ0可由下式計(jì)算而得:Φ0=E?S=Φ4πr2?ρ1-ρ?(1-A2A1)?S,(4)其中E是積分球內(nèi)任意一點(diǎn)的照度,單位lx;S是探測(cè)面的面積,單位mm2;Φ是待測(cè)光源的總光通量,單位lm;r是積分球的半徑,單位mm;ρ是積分球內(nèi)表面的反射率;A1是球的內(nèi)表面積,單位mm2;A2是球內(nèi)所有開口面積總和,單位mm2;將積分球具體尺寸和球內(nèi)壁反射率等數(shù)據(jù)代入(4)式得到探測(cè)面上光通量的理論計(jì)算值為Φ0=0.61776lm.將由軟件仿真得到的與各不同光線角度相對(duì)應(yīng)的探測(cè)面光通量值和該理論值相比較,得到二者間的相對(duì)誤差,結(jié)果由表1給出.進(jìn)一步的,測(cè)試單向發(fā)光的簡(jiǎn)化發(fā)光面在積分球軸向的不同位置上工作時(shí)探測(cè)面接收的光通量.具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:該模擬按單向發(fā)光面的發(fā)光角度不同分為5組進(jìn)行.各組對(duì)應(yīng)的光源出光角度分別為0°,45°,90°,135°,180°.各分組中,在球內(nèi)軸向上改變發(fā)光面的位置,即從積分球內(nèi)壁開始向球心方向每隔1mm移動(dòng)發(fā)光面做1次仿真,得到探測(cè)面上光通量的仿真值.規(guī)定發(fā)光面在球內(nèi)表面位置即起點(diǎn)時(shí)其距球內(nèi)壁距離d距離=1mm,發(fā)光面移動(dòng)的終點(diǎn)距球內(nèi)壁距離為20mm.具體見圖3.將5組仿真結(jié)果分別同探測(cè)面光通量的理論計(jì)算值相比較,得到仿真值與計(jì)算值的相對(duì)誤差,具體結(jié)果如表2所示.由于計(jì)算機(jī)條件的限制,在此僅對(duì)15000條光線進(jìn)行蒙特卡洛追跡,得出的仿真結(jié)果與理論計(jì)算的探測(cè)面光通量存在一定的誤差,但是這一相對(duì)誤差均在范圍內(nèi),引起誤差的原因與有限的追跡光線數(shù)目有密不可分的關(guān)系,隨著追跡光線數(shù)目的增多在光窗處得到的光通量應(yīng)更接近理論上的計(jì)算值,因此有理由認(rèn)為將LED光源置于積分球內(nèi)表面是完全符合積分球理論的.3討論3.1led積分球尺寸由于實(shí)際測(cè)量時(shí)在積分球內(nèi)放置了擋屏等雜物,破壞了理想積分球假設(shè).為了將擋屏對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的影響盡可能的減小,積分球的尺寸應(yīng)相應(yīng)的大.參照CIE(國(guó)際照明協(xié)會(huì))的LED測(cè)量辦法,用于LED總光通量測(cè)量的積分球直徑應(yīng)大于30cm.若采用尺寸較小的積分球(如直徑為10cm)進(jìn)行測(cè)量,則需引入輔助LED,進(jìn)行自吸收修正(自吸收修正系數(shù)α=裝標(biāo)準(zhǔn)燈時(shí)的照度/裝被測(cè)燈時(shí)的照度).3.2led相對(duì)光譜靈敏度差異的修正LED與傳統(tǒng)熱輻射光源相比,兩者在體積,光譜分布,出光角度等特性上相差懸殊.在用積分球測(cè)量LED的總光通量時(shí)若仍采用鎢絲燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源,則勢(shì)必引入很大的自吸收和相對(duì)光譜靈敏度誤差.所以,應(yīng)采用LED作該測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)光源.標(biāo)準(zhǔn)LED的總光通量和配光曲線可事先由分布光度計(jì)測(cè)定.作為標(biāo)準(zhǔn)光源的LED力求與待測(cè)LED具有相同的配光曲線以及相同的光譜分布.若不能找到完全符合要求的LED則可用光譜分布或配光稍有差異的LED替代.由不同光譜分布引入的相對(duì)光譜靈敏度差異可由下式修正.β=∫∞0S(λ)?V(λ)dλ∫∞0S0(λ)?V(λ)dλ?∫∞0S(λ)?W(λ)?D(λ)?τ(λ)dλ∫∞0S0(λ)?W(λ)?D(λ)?τ(λ)dλ?(5)其中:S(λ)是被測(cè)LED的光譜功率分布;S0(λ)是標(biāo)準(zhǔn)LED的光譜功率分布;τ(λ)是窗口的相對(duì)光譜透射率;D(λ)是探測(cè)器的相對(duì)光譜靈敏度.W(λ)=Κ?ρ(λ)1-ρ(λ),ρ(λ)是積分球內(nèi)表面的反射率;K是任意常數(shù).在用積分球測(cè)量LED的總光通量裝置中,將LED的點(diǎn)燃位置設(shè)定在積分球內(nèi)壁