LED光度測量中關于標準燈選擇的研究

莊慶瑞

(廈門市產品質量監督檢驗院，福建 廈門 361000)

LED光度測量中關于標準燈選擇的研究

莊慶瑞

(廈門市產品質量監督檢驗院，福建 廈門 361000)

本文針對LED光度測量中無法備齊各式各樣與待測LED光譜分布相同的LED標準管的實際問題，從光譜輻射度計和光度計的角度，討論其校準原理，對比分析了不同類型標準燈對校準和測量結果的影響及其原因，并提出選擇標準燈的方案。

LED；標準燈；光度測量；校準

引言

LED光源以其節能環保、光色可調、壽命長、可靠性好等特點，在照明和顯示領域已被廣泛應用[1]，其單色性特點已成為農業、醫療等特殊領域研究的熱點[2-3]。照度、發光強度、光通量、亮度是基本的幾個光度學參數，它們的測量都是基于特定面積單元上光信號的采集。例如使用積分球測量光通量的儀器，主要由積分球以及安裝在球壁內表面的光度計或光譜輻射度計構成[4]。由于測量系統體積大而笨重，且帶光纖的儀器在運輸后必須重新校準以確保其準確性，送到計量機構進行校準不方便，因此大多采用可輕便攜帶的標準燈進行量值溯源(校準)。那么，在LED測量中如何選擇標準燈？傳統的標準燈如鎢絲燈，具有連續光譜且大致各自同性，功率從10 W到1 000 W，鎢絲燈的光通量校準不確定度為1.5%左右。LED因其空間分布顯著不均勻、光譜不連續等特點，對測量結果有較大影響，因此出現了LED標準管[5-7]。目前常采用20 mA的白光和單色光(紅、綠、藍)LED標準管，中國計量科學研究院給出的光通量校準不確定度LED標準管為3%左右。光通量測量中與標準燈有關的誤差來源主要有光譜分布、空間分布、外形尺寸。其中與探頭直接相關的因素是光譜分布，本文以光通量為例，針對不同類型探頭(光譜輻射度計和光度計)，從校準原理出發，探討LED測量中標準燈的選擇。

1 光譜輻射度計

校準使用光譜輻射度計的積分球光通量測量儀器需使用已知光譜輻射通量的標準燈。大部分儀器的軟件都帶有校準功能，校準時將標準燈的光譜輻射通量數據導入，軟件通過將標準燈在各個波長的輻射通量與光譜輻射度計采集到的光信號值相比，從而得到一組對應波長的校準系數(也稱為光譜響應率)。式(1)是測量待測樣品光通量的計算公式。

(1)

φs(λ)=C(λ)×Is(λ)

(2)

(3)

式中Km=683 lm/W，C(λ)為波長λ處的輻射通量的校準系數；φ標(λ)、I標(λ)為標準燈在波長λ處的輻射通量(一般由校準證書給出)和光信號值(由儀器測得)；φs(λ)、Is(λ)為波長λ處待測樣品的輻射通量和光信號值；φs為待測樣品的光通量；V(λ)為光視效率函數；Δλ為波長間隔。

該方法實際上是對每個波長的輻射通量(即光譜輻射通量)進行校準，計算光通量時采用精確的光視效率函數V(λ)，不存在V(λ)匹配誤差，并且可同時用于計算總輻射通量、顏色(如三刺激值、相關色溫)和顯色指數等，因而被廣泛采用。

CIE 127要求測量LED時應使用全光譜輻射通量標準燈(如鎢絲燈)對該儀器系統進行校準，同時也提到當采用不同顏色LED標準管對結果進行確認時，可能產生不一致。因此，目前也存在一種做法：測量白光和單色光LED時，分別采用白光和對應的單色光LED標準管作為標準燈，或者都采用白光LED標準管作為標準燈。以下我們將比較不同類型標準燈的校準結果。

如圖1所示，實線分別是正向工作電流20 mA的白光、紅光、綠光、藍光LED標準管的光譜輻射通量曲線；虛線A、B、C、D、E為利用這四個LED標準管進行校準后分別得到的光譜校準系數曲線，此外虛線E為利用10 W鹵鎢燈進行校準后得到的光譜校準系數曲線。可見，藍光在440 nm～520 nm，綠光在430 nm～575 nm，紅光在600 nm～570 nm波段內的光譜校準曲線與白光LED匹配得較好。而在其它波段，則出現了較大波動和偏離，甚至嚴重偏離(如藍光520 nm～550 nm)。結合標準燈的光譜輻射通量曲線發現，校準系數匹配較好的波段，對應單色光的輻射通量較大，而校準系數偏離較大的波段，對應單色光的輻射通量很小。可見，輻射通量小，光譜儀采集的信號弱，信噪比低，因而測量誤差大，導致校準系數不準確；反之，輻射通量大，信噪比高(一般大于10∶1，對應光譜范圍也稱為標準燈的有效波長)，校準系數也更準確。

圖1 標準燈光譜輻射通量和校準系數曲線Fig.1 Curve:spectral radiant flux and calibration coefficient of standard lamps

圖1中白光LED標準管校準系數曲線和鹵鎢燈相比，在380 nm～440 nm波段存在較大偏離，在720 nm～780 nm有較大波動(毛刺)。對比二者的光譜輻射通量曲線(圖2)我們可以發現，常見的10 W鹵鎢燈在可見光范圍內具有遠遠高于20 mA白光LED的輻射通量，良好的信噪比也體現在校準系數曲線的平滑無毛刺。白光LED輻射通量很低是白光LED校準系數曲線在上述波段產生偏離和較大波動的主要原因。

圖2 白光LED標準燈和鹵鎢燈光譜輻射通量和校準系數曲線Fig.2 Curve:spectral radiant flux and calibation coefficient of the standard white LED and the halogen tungsten lamp

如圖3所示，將圖1中從紅、綠、藍各單色光光譜輻射通量較大、信噪比良好的波段放大后發現，各單色光的校準系數曲線和鹵鎢燈、白光LED匹配得較好(誤差不超過3%)的同時，其變化趨勢也基本一致。同時，圖3各波段中鹵鎢燈校準系數最大，白光LED最小，各單色光LED居中，對照圖1和圖2，對應波段鹵鎢燈光譜輻射通量最大，白光LED最小，各單色光LED居中，即校準系數變化與標準燈光譜輻射通量大小有關，可以認為，使用不同標準燈得到的校準系數所存在的誤差主要來源于儀器的線性誤差。

圖3 單色光LED校準系數曲線局部放大圖Fig.3 Partial magnification:calibration coefficient curves of single-colour LEDs

由上述分析可知，LED光譜存在不連續性，決定了其在某些波長的發光很弱甚至不發光，且目前使用的LED標準管由于功率較小，即使是白光LED也無法在可見光各波長范圍內具有足夠大的輻射通量以獲得滿意的信噪比，從而對全可見光波段進行校準。對于特定顏色的待測LED，在儀器線性度不佳的情況下，可采用與其功率相當且有效波長能夠覆蓋待測LED的LED標準管(如圖4所示)作為標準燈，這樣能夠減小由于儀器線性誤差產生的影響(如表1所示)。

圖4 待測LED及所選用LED標準管光譜示例Fig.4 Examples for spectrum of a tested LED and a corresponding standard LED

對于白光LED的測量，往往難以找到光譜形狀相似的LED標準管，而鹵鎢燈輻射通量往往比LED高出1～2個量級，為了減小線性誤差，可準備幾支不同顏色LED標準管，它們的有效波長疊加后應能覆蓋整個可見光波段，對它們分別進行校準后，截取各有效波長的校準系數曲線并重新連接，從而得到全可見光波段的校準系數曲線。考慮到目前LED標準管的校準不確定度(3%)大于鎢絲燈(1.5%)，對于線性響應良好的儀器，也可直接使用鎢絲燈作為標準燈。

2 光度計

光度計具有測量速度快的優點，因此也被廣泛使用。校準使用光度計的積分球光通量測量儀器需使用光通量標準燈。將待測光源和標準燈先后放在積分球中相同位置測量，根據式(4)計算待測光源光通量：

(4)

φs=C×Is

(5)

式中，C為光通量的校準系數；φ標、I標分別為標準燈的光通量標準值(由校準證書給出)和光電信號值(由儀器測得)；φs、Is分別為待測光源的光通量和光信號值。

圖5是一款光度計的光譜響應曲線，可見在380 nm～500 nm的匹配誤差比其它波段大，表2是使用該光度計測量鹵鎢燈、白光LED和藍光LED的結果。可見，與傳統鎢絲燈相比，LED光源，特別是對單色光LED而言，如果其發光波長恰好處于

圖5 光度計光譜響應Fig.5 Curve：spectral response of the photometer

光度計V(λ)匹配誤差較大的位置，測量誤差將被放大，由于因此光度計校準時應選擇與待測LED具有相似光譜分布的LED標準燈，而校準系數也僅適用該光譜范圍。實際測量時要備齊各種顏色各種光譜形狀的LED標準燈非常困難，因此需將V(λ)匹配誤差納入不確定度評估因素，且應該針對待測LED的顏色評估對應波段的V(λ)匹配誤差。

表2 使用光度計的積分球測量不用光源光通量Table 2 Luminous flux rneasurement results of different types of lamps using the integrating sphere

3 結束語

從光譜輻射度計和光度計的角度出發討論LED光度測量中的影響因素，采用不同光通量標準燈進行校準和測試，分析其校準原理和校準系數的誤差來源。就目前儀器和LED標準燈的實際情況提出了使用不同類型探頭進行LED測量時標準燈的選擇方案。

[1] 竇林平. 2016中國LED照明行業趨勢展望[J]. 照明工程學報, 2016,27(1):I0007-I0009.

[2] 鄭炳松. LED光源在生物醫學中的應用分析[J]. 照明工程學報, 2016,27(3):131-137.

[3] 許巧云. LED植物照明技術及產業狀況分析[J].光源與照明, 2016(2):33-35.

[4] The Measurement of Luminous Flux:CIE 84:1989.

[5] 呂正,呂亮,樊其明. 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.

[6] 呂正,徐英瑩. LED計量基標準與現行測試標準的區別[J]. 中國照明電器, 2008(6):27-30.

[7] 劉慧. 照明計量與測試技術的新進展[J]. 照明工程學報, 2016,27(2).

Study on the Selection of Standard Lamps in LED Photometric Measurements

ZHUANG Qingrui

(XiamenProductsQualitySupervision&InspectionInstitute，Xiamen361000,China)

For the practical situation that it is almost impossible to get all kinds of standard LEDs with the same spectrum as test LEDs in photometric measurements, we discuss the factors associated with spectroradiometer and photometer. The influence of different types of standard lamps on the calibration and measurement results are analyzed and compared, and the scheme of selecting standard lamps is proposed.

LED; standard lamp; photometric measurement; calibration

工業和信息化部電子信息產業發展基金項目《室內半導體照明器件、電光源產品與檢測技術研發及應用》(工信部財[2013]472號),質檢公益性行業科研專項《人工照明光源與自然陽光光生物安全性的研究》(201410140)，國家國際科技合作專項《LED照明現場檢測方法研究及評價》(S2015GR1002)，港澳臺科技合作專項《LED燈具加速壽命試驗方法與可靠性研究》(2015DFT10120) 通信作者：莊慶瑞，E-mail：qingrui_zhuang@163.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.009