一種面向LED光學(xué)透鏡的光譜透射測(cè)量系統(tǒng)

蔡 怡，汪哲弘，張 鈺

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，浙江 杭州 310019)

一種面向LED光學(xué)透鏡的光譜透射測(cè)量系統(tǒng)

蔡 怡，汪哲弘，張 鈺

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，浙江 杭州 310019)

LED燈作為照明光源，通常會(huì)應(yīng)用光學(xué)透鏡,進(jìn)行二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)，在應(yīng)用光學(xué)透鏡后其光譜一般會(huì)發(fā)生變化，光度和顏色都會(huì)發(fā)生改變。研究一種面向LED等非平面型鏡片的光譜透射測(cè)量裝置，可以精確測(cè)量LED光源經(jīng)過光學(xué)透鏡后的光譜變化，為光學(xué)設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)。

LED；光譜；光學(xué)透鏡；透射

引言

在開發(fā)LED照明產(chǎn)品的熱潮中，加強(qiáng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究，避免簡(jiǎn)單模仿，提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，是LED照明工作者的重要任務(wù)[1]。

將LED光源芯片應(yīng)用到具體照明產(chǎn)品時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的出光效率、光強(qiáng)、色溫的分布狀況也必須設(shè)計(jì)，稱為二次光學(xué)設(shè)計(jì)[2]。通過二次光學(xué)設(shè)計(jì)，可以準(zhǔn)確控制光線的方向，解決傳統(tǒng)光源一直無(wú)法進(jìn)行有效光學(xué)設(shè)計(jì)來獲得精確配光的局面[3]。

光學(xué)透鏡的運(yùn)用是二次光學(xué)設(shè)計(jì)的重要組成部分，如利用自由曲面透鏡改善LED臺(tái)燈、路燈的光線分布狀況[4-6]。但在應(yīng)用光學(xué)透鏡后，其光譜一般會(huì)發(fā)生變化，從而光度和顏色都會(huì)發(fā)生改變，其變化直接導(dǎo)致照明效果相應(yīng)的變化，在生產(chǎn)行業(yè)中照明工程師需要根據(jù)這種變化調(diào)整透鏡方案，甚至是芯片方案。

1 現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)

對(duì)于光學(xué)透鏡光譜透射比的測(cè)量，目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際上一般都采用分光光度計(jì)。

1.1 基本原理

其基本原理如圖1所示。

圖1 雙光束分光光度計(jì)Fig.1 Double beam spectrophotometer

1.2 存在的缺陷

1)可測(cè)量樣品尺寸限制。被測(cè)樣品尺寸受到儀器光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，樣品尺寸太大或太小都不行，特別是直徑2 mm左右的小樣品無(wú)法測(cè)量。

2)不可測(cè)量非平面型光學(xué)透鏡。由單色儀的出射狹縫射出單色光不是平行光束，所以只能測(cè)量平面透射樣品，不能測(cè)量透鏡，如凸透鏡，凹透鏡，因?yàn)橥哥R置入光路將破壞儀器的光線傳輸特性，造成很大的測(cè)量誤差，這是此類傳統(tǒng)分光光度計(jì)的致命缺陷。

3)光束能量只能由控制單色儀的狹縫大小實(shí)現(xiàn)。測(cè)量?jī)x器的光束能量大小只能由控制單色儀的狹縫大小實(shí)現(xiàn)，但是狹縫大小變化后，儀器的測(cè)量光譜帶寬隨著發(fā)生變化，不能滿足測(cè)量的要求。

4)不能快速測(cè)量樣品在特定標(biāo)準(zhǔn)光源照明下的積分透射比。系統(tǒng)缺少V(λ)探測(cè)器，無(wú)法一次測(cè)量材料在特定標(biāo)準(zhǔn)光源照明下的積分透射比。

因此，研究一種適用于LED光學(xué)透鏡的光譜透射測(cè)量系統(tǒng)，可以更具有針對(duì)性地對(duì)非平面型光學(xué)鏡片的光譜透射比，角度特性、偏振片消光比等進(jìn)行精密測(cè)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本測(cè)量系統(tǒng)主要由光源及穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、透射比測(cè)量系統(tǒng)、光度探測(cè)器、光譜分析系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng)五部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—外罩殼；2—被測(cè)反射樣品或標(biāo)準(zhǔn)白板；3—右半積分球，4—光纖；5—光度探測(cè)器；6—左半積分球；7—被測(cè)透射樣品(平面或透鏡)；8—可變光闌；9—防雜散光闌；10—第一透鏡；11—視場(chǎng)光闌；12—第二透鏡組座；13—第二透鏡組；14—照明光源座；15—照明光源；16—導(dǎo)光纖維；17—光陷井圖2 光譜透射測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure figure of spectral transmission measurement system

2.2 工作原理

系統(tǒng)的工作原理是：照明光源(15)發(fā)出的光束被第二透鏡組(13)會(huì)聚至視場(chǎng)光闌(11)，光束經(jīng)視場(chǎng)光闌入射于第一透鏡組(10)，并轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐?為防雜散光闌，平行光束孔徑大小由可變光闌(8)控制，光束入射于被測(cè)反射樣品或標(biāo)準(zhǔn)白板(2)，光束經(jīng)被測(cè)反射樣品或標(biāo)準(zhǔn)白板(2)反射后，由積分球(3、6)漫射的光被導(dǎo)光纖維(16)接收，傳遞到光譜分析儀轉(zhuǎn)變?yōu)闃悠饭怆娦盘?hào)，通過電路硬件送入計(jì)算機(jī)處理，積分球反射樣品平面與入射光束的角度設(shè)計(jì)為8°～10°，并在積分球上設(shè)置光陷井(17)，可以吸收標(biāo)準(zhǔn)白板或被測(cè)反射樣品的鏡面反射光束。在積分球壁上設(shè)置光度探測(cè)器(4)，可以測(cè)量樣品的透射比τ和反射比ρ，照明光源(15)的光源驅(qū)動(dòng)為恒流電源，電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%。

2.2.1 光源及穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)

光源的穩(wěn)定是測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定的前提。本系統(tǒng)的照明光源為A光源，采用OSRAM鹵素?zé)簦庠打?qū)動(dòng)為穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置溫度基準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度漂移補(bǔ)償，因此該照明系統(tǒng)可以達(dá)到很高的精度，光源驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性0.02%。

2.2.2 透射比測(cè)量系統(tǒng)

由A光源產(chǎn)生的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)生成平行光束，光束直徑可調(diào)，最小直徑為2 mm； 其接收器采用積分球，由積分球反射的光能由光纖傳輸至光譜分析系統(tǒng)，因此該部件可以檢測(cè)光學(xué)元件的光譜透射特性，反映出它對(duì)彩色還原的影響，該系統(tǒng)的性能類似于分光光度計(jì)。由于應(yīng)用了積分球集光，所以特別適用于透鏡透射特性的測(cè)量，保證了系統(tǒng)適用于除平面型鏡片之外的光學(xué)元件進(jìn)行測(cè)量；同時(shí)也適用于濾光片透射光譜的測(cè)量。

透射比測(cè)量系統(tǒng)中具有角度旋轉(zhuǎn)臺(tái)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度可達(dá)110°，以測(cè)量各種入射角條件下的透射和反射光譜特性。裝置中的準(zhǔn)直光束直徑可以調(diào)至2 mm，能正確入射于二向色鏡(PBS)的狹長(zhǎng)入射面積，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)，可以獲得二向色鏡(PBS)的光束入射角光譜透射特性。此外,該裝置中設(shè)置P-S偏振分量調(diào)節(jié)裝置,可以為用戶提供快速P-S偏振分量的變換，測(cè)量不同偏振條件下的光譜透射特性。

2.2.3 光度計(jì)

光度計(jì)探頭采用符合人眼明視覺光譜光視效率曲線的光度傳感器，由于照明系統(tǒng)采用A光源，因此光度計(jì)可以直接讀取被測(cè)光學(xué)元件在A光源下的積分透射比。

2.2.4 光譜分析系統(tǒng)

該部件包括單色儀、光電倍增管、信號(hào)接口等。積分球收集的光進(jìn)入單色儀，由光電倍增管接收轉(zhuǎn)變?yōu)闃悠饭怆娦盘?hào)，通過電路硬件信號(hào)接口送入計(jì)算機(jī)處理。單色系統(tǒng)為部件的最重要單元，應(yīng)用光柵作為分光元件，系統(tǒng)焦距f′=300 mm，光譜分辨率達(dá)0.1 nm，波長(zhǎng)精度為0.2 nm，可以滿足光譜精確測(cè)量的要求。在波長(zhǎng)標(biāo)定系統(tǒng)中應(yīng)用了波長(zhǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，因此系統(tǒng)可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行波長(zhǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

3.1 雙探測(cè)器

光源可校正為標(biāo)準(zhǔn)A光源光譜分布，在積分球壁上的光度探測(cè)器4采用V(λ)探測(cè)器，這時(shí)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)白板對(duì)儀器標(biāo)定后，可一次測(cè)量材料在A光源照明下的積分透射比，測(cè)量數(shù)據(jù)由光度計(jì)(5)顯示，當(dāng)采用變換A光源為D65標(biāo)準(zhǔn)光源的D65(λ)探測(cè)器時(shí)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)白板對(duì)儀器標(biāo)定后，可一次測(cè)量材料在D65光源照明下的積分透射比τ，測(cè)量數(shù)據(jù)由光度計(jì)(5)顯示。該儀器同時(shí)提供二個(gè)探測(cè)器，V(λ)探測(cè)器和D65(λ)探測(cè)器，這是常規(guī)分光光度計(jì)不具備的。

3.2 測(cè)量樣品尺寸范圍大

在光路上設(shè)置可變光攔，調(diào)節(jié)可變光攔可改變?nèi)肷溆诒粶y(cè)樣品或標(biāo)準(zhǔn)白板的光束強(qiáng)度，或測(cè)量光束口徑的大小，以適應(yīng)不同的透鏡直徑，而單色儀的狹縫大小不會(huì)變化，儀器的測(cè)量光譜帶寬不隨光束強(qiáng)度改變而發(fā)生變化。此外由于可變光攔通光口徑可調(diào)節(jié)至2 mm，因此很小直徑的CCD攝像鏡頭的積分透射比τ積分反射比ρ都可以測(cè)量。

3.3 可測(cè)量光譜透射比和光譜反射比

當(dāng)入射于被測(cè)透射樣品的光束經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)白板反射，再被積分球漫反射后，由導(dǎo)光纖維接收，傳遞到光譜分析儀轉(zhuǎn)變?yōu)闃悠饭怆娦盘?hào)，通過電路硬件送入計(jì)算機(jī)處理，可獲得被測(cè)透射樣品的光譜透射比τ(λ)，具有常規(guī)分光光度計(jì)的特性。

本系統(tǒng)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)白板校正后，換成被測(cè)反射樣品，當(dāng)入射于被測(cè)反射樣品光束被反射，再被積分球漫反射后，由導(dǎo)光纖維接收，傳遞到光譜分析儀轉(zhuǎn)變?yōu)闃悠饭怆娦盘?hào)，通過電路硬件送入計(jì)算機(jī)處理，可獲得被測(cè)反射樣品的光譜反射比ρ(λ)。

3.4 測(cè)量誤差小

由于本測(cè)量系統(tǒng)出射的光束為平行光束，而且經(jīng)透射樣品(透鏡)立即被積分球完全收集，這樣的測(cè)量結(jié)構(gòu)不僅可測(cè)平面透射樣品，而且也可以精確測(cè)量凸透鏡、凹透鏡的透射比τ。常規(guī)分光光度計(jì)入射于透射樣品的光束不是平行光，而且需經(jīng)一組反射鏡的光學(xué)測(cè)量光路后進(jìn)入積分球，因此通過透射樣品的光束不能全部被積分球收集，造成大的測(cè)量誤差。

4 結(jié)論

通過研究這種新型的光譜透射測(cè)量系統(tǒng)，解決精確測(cè)量非平面型光學(xué)鏡片的透射比問題，填補(bǔ)目前國(guó)內(nèi)外該檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的空白，為目前眾多生產(chǎn)廠家對(duì)非平面型光學(xué)鏡片在諸如LED半導(dǎo)體照明二次光學(xué)系統(tǒng)透鏡、傳統(tǒng)的投影光學(xué)引擎中的投影物鏡、立方合分色棱鏡、PBS鏡、數(shù)碼相機(jī)鏡頭、光學(xué)鏡片等光學(xué)設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

致謝：致謝錢楓教授級(jí)高工的精心指導(dǎo)和教育，致謝杭州新葉光電工程技術(shù)有限公司為研究提供的零部件支持，致謝本工作受到的浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計(jì)劃項(xiàng)目資助。

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A Spectral Transmission Measurement System of LED Optical Lens

CAI Yi,WANG Zhehong, ZHANG Yu

(HangzhouInstituteofTestandCalibrationforTechnologySupervision,Hangzhou310019,China)

As light source, LED usually made secondary optical light distribution design by applying optical lens, but when optical lens was used, LED spectrum will change; luminosity and color were both changed. Design on a spectral transmission measurement system oriented LED non planar lens, the spectrum change can be accurately measured while LED light source go through optical lens, so that can provide reliable data for optical design.

LED;spectrum; optical lens; transmission

浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計(jì)劃項(xiàng)目——面向LED非平面型光學(xué)鏡片的光譜透射測(cè)量系統(tǒng)的研究與開發(fā)(20120234)

TH744

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.023