LED光通量测量方法与测量系统研究

摘要

发光二极管(LED)具有光指向性好、寿命长、体积小、重量轻、低电压工作、响应时间短、无红外辐射等优点，特别是LED潜在的高光效(白光LED的理论光效为350～3701m/W)，使人们看到了LED在普通照明领域广泛普及应用的曙光。半导体照明被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一，日益受到世界各国及产业界的关注。LED要应用于普通照明市场，精确衡量其光效和光通量指标是非常重要的。LED发光机理不同于传统光源，在物理尺寸、光通量水平、光谱分布各方面都与传统光源有较大区别，具有特殊性，这也为光通量的传递造成了很大的困难。尽管国际照明委员会(CIE)及美国、加拿大等计量研究机构建议了LED光通量的测量方法，但国际上至今未有公认的LED光通量测量的标准。目前LED光通量测量存在着不确定度大、不同仪器及厂家测量结果一致性差等特点，测量误差甚至达到40-50％。这些问题，使LED光通量的测量一直存在分歧，因而也影响了对LED性能的判别，不利于LED产业的发展。本论文通过对LED光通量的测量方法和测量系统的研究，提出一些新的测量方法和思路，并研究如何降低测量中的测量误差，提高测量精确度。
　　首先，分析了LED的发光特点及光学和热学特性，通过理论和实验分析了目前LED光通量测量中的不确定性因素，包括与LED自身特性及测量条件有关的参数的影响及测量方法的影响。分析了环境温度、散热条件、驱动电流等对测量结果的影响；针对积分球测量方法分析总结了影响测量精度的因素如V(λ)匹配误差的影响、自吸收效应、积分球空间响应非均匀性等；对分布光度计测量方法进行了理论和实验研究，选择了不同的控制参数及测量条件，分析了影响测量精度的一些问题，提出了提高测量精度的一些方法，并对分布光度计测量法的总体不确定度做出了评价。
　　其次，在传统积分球测量方法的基础上进行了改进，提出了一种新的LED光通量的积分球测量方法，构建了测量系统，对探测器的线性度及光谱仪的测量噪声进行了软件滤波和修正。采用窄光束标准光源进行定标，被测LED和标准光源放在积分球内壁表面，通过光纤将光引入微型多通道光谱仪进行光通量的测量，消除了V(λ)匹配误差的影响，光源与光纤孔尽量靠近，大大减小了档屏的尺寸，从而将自吸收效应降到最小。软件模拟和样品的测试结果表明，该方法可以达到较高的测量精度。
　　然后，基于LED体积小，光束角窄的特点，提出了一种新的空间积分法测量LED的光通量。采用复合抛物面收集器(CPC)收集LED发出的光，再用探测器测量其光通量值。用软件仿真分析了不同角度光线与不同光分布的LED在系统上的响应，及CPC内壁不同反射率对测量结果的影响，进行了参数的设计优化；在软件模拟的基础上建立实验装置，并在此装置上测量多只LED样品，测量结果与光通量绝对测量法(分布光度计)进行比较。测量结果表明，该方法可以达到较高的精度，最后也给出了该方法的测量不确定度分析。该测量装置体积小，可实现快速便携式测量，便于用在LED生产线上实现自动化测量。