LED 2π空間光通量測量方法及不確定度分析

來 磊，黃必勇，尹德金，劉 薇

（上海市計量測試技術研究院，上海 201203）

0 引 言

隨著半導體發光二級管（LED）技術的不斷突破，加上LED具有耗電量低、高純度、多色彩、無污染、無輻射、快響應、抗沖擊、定光束、色域寬、低熱量等諸多優勢，使其被看做21世紀的新型光源，滿足人們對安全、節能、環保、舒適、美觀等多方面的要求。對LED及在整個產業鏈上涉及的檢測儀器目前存在光學參數測試再現性差、測量不確定度大、不同測試裝置之間的測試結果一致性差等現象。究其原因，主要是缺乏LED光學參數測試方法和尚無與之對應的計量裝置[1]。本文針對LED光通量測試方法及不確定度計算進行探討。光通量是LED發光特性中最重要的參數之一，由于LED自身結構及發光機理與傳統光源大不相同，其在4π空間發光強度分布是不均勻的，因此LED光通量的測量必須考慮發光不均勻的因素。LED的總光通量需要采用積分球或分布光度計進行測量[2]。圖1展示了一種CIE推薦采用的測量LED總光通量的空間幾何位置。圖1（a）所示的空間幾何位置適用于具有窄光束輪廓或者廣角發射和向后發射類型的LED。這種空間幾何位置能夠比放置在球壁上提供更好的空間均一性和響應率，并且不易受到LED不同空間光強分布的影響[3-4]。此類LED測量中，被測LED被嵌入球壁進行測量，在測量總光通量時這種方法是不合理的，因為向后發射的光通量損失掉了。圖1（b）這種幾何位置的優點在于待測光源能夠很容易地被嵌在球壁上。需要注意的是5mm環氧樹脂封裝LED通常有大量的后向發射光，因此應采用圖1（a）中的空間幾何位置。高能LED通常有較大的制冷器并且沒有向后發射光，因此可以采用圖1（b）中的空間幾何位置，將LED發光端嵌入球壁中，而制冷器放置在球外[5]。

無論采用哪種空間幾何位置，建議LED測量中采用直徑為20～50 cm的積分球。積分球越大，空間分布不均勻性造成的誤差越小（原因在于積分球內部采用的遮光板相對面積變小），而自吸收的靈敏度越低，但是測量到信號的強度同樣會降低。本文采用的是直徑為50 cm積分球，如圖2所示的光譜光度計測量LED向前方光通量（2π空間光通量）。

1 測量方法

將LED嵌在積分球的一壁來測量其向前2π空間光通量。可控溫LED的支架阻擋了其向后方向的輻射，對于這種LED，總光通量和向前方光通量相同的情況。本文介紹2π空間光譜通量及總光通量的測試方法，以下步驟適用于LED嵌在積分球一壁的情況[6]。

圖1 LED總光通量測量推薦空間幾何位置

圖2 一種采用光譜光度計測量2π空間光通量的幾何條件

（1）將可溯源至NIST(美國國家標準與技術研究院)的標準燈放置在相對1 cm2小孔的正確位置上，可以準確得到小孔位置的光譜輻照度。精確施加光源所需的電流，預熱穩定一段時間后，對發光強度和波長進行20次測量。

（2）關掉標準燈，打開安裝在球內的輔助燈，預熱和穩定一段時間后，對光強和波長進行20次測量。

（3）將標準燈和精確小孔移開，把被測LED放在積分球入口處。保持輔助燈的工作狀態，對光強和波長進行20次測量。

（4）關掉輔助燈，精確施加LED工作所需的電流，預熱穩定后，對光強和波長進行20次測量。

（5）將LED的支架旋轉90°，對光強和波長進行20次測量。

（6）在 180°和 270°重復步驟（3）。

在第（2）、（3）條中采用的輔助燈用于補償積分球和LED相互作用引入的誤差。在積分球內部或者相對于光線入射口的物體都會產生反射光。并且由于球內部都是多重反射，積分球內部物體對測試結果的影響與物體本身的大小不成比例。所以要獲得準確的測量結果，對積分球和LED相互作用引入的誤差進行補償非常重要[7]。

2 不確定度分析

2.1 LED總光通量測試數據

采用可溯源至NIST的標準燈按照以上方法進行驗證。表1是本實驗室提供的LED總光通量測試數據。

測量結果表明旋轉LED對于測試帶來的影響并不大，這反映出LED本身的強度有可能發生緩慢的變化。

2.2 LED總光通量不確定度

數學模型

式中：Km=683 lm/W

詳細的計算過程本文不再贅述[8]，將計算結果列于表2。

從測量結果中看出，周期間存在細微漂移，這表明被測對象可能存在細微漸進變化。LED支架的旋轉表明了其機械位置的變化，而周期間的變化表明了系統的重復性。在不確定度分析結果中可以發現，對系統測量不確定度帶來影響的主要因素包括：可溯源至NIST的發光標準本身的不確定度、發光標準轉換到工作標準的環節和測量系統的波長準確性等。對于測量系統，一種常用的驗證方法是采用可溯源的已校準LED提供絕對刻度，來驗證實驗裝置的準確性。

表1 重復6次得到的總光通量（TFL）結果

表2 重復6次得到的TFL不確定度

3 結束語

采用科學的測量方法和適當的測量程序可以降低不確定度。更重要的是，不確定度可以被量化和計算。測量步驟的變化可能會影響到不確定度，特別是在步驟上不同方式溯源至上一級標準可能帶來不同的不確定度。如果用NIST或NIM(中國計量科學研究院)提供的無后向發射光的標準LED，那么測量將變得較為簡單，但是不確定度會相應增大。

[1]CIE127—2007 LED測量方法標準[S].國際照明學會，2007.

[2]呂正.NIST的LED光通量測量[J].中國照明電器，2006（5）：22-24.

[3]呂正.LED光通量測量中的自吸收效應及校正[J].照明工程學報，2006，17（2）：16-17，32.

[4]呂正.著眼于國際比對的LED國家光學計量標準的建立[J].中國照明電器，2008（1）：30-34.

[5]李文宜，張萬路，袁川，等.測量LED總光通量的積分球裝置中光源位置的探討[J].復旦學報：自然科學版，2007（3）：356-359，365.

[6]周小麗，劉木清，錢勇，等.LED光通量測試系統的研究[J].光電子·激光，2008，19（6）：728-730.

[7]潘建根，沈海平，馮華君.光譜校正積分光度法測量藍光LED 光通量[J].半導體學報，2006，27（5）：932-936.

[8]吳寶寧.LED光學參數測試方法研究[J].應用光學，2007，28（7）：513-516.