LED光电参数测试仪校准方法的研究

张 帆，李 奕

(1.江苏省计量科学研究院，江苏 南京 210007；2.陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710000)

引言

准确测量LED的光电性能参数是科学评价LED照明产品性能、质量现状和发展趋势的基础。LED光电参数测试仪是检验单颗LED光电性能的重要测试设备，在生产过程控制和产品检验中发挥着越来越重要的作用，其计量参数的准确可靠，也就成了产品质量控制的关键[1-3]。

1 相关概念和原理

1.1 LED 平均发光强度

按照国际照明委员会CIE推荐的测量标准，应选光阑面积为100mm2的光度探测器，在与LED管前表面两个固定距离下测量发光强度，即：

(1)ILEDA，对应CIE标准条件A(远场)：测试距离为316mm，相应立体角为0.001sr；

(2)ILEDB，对应CIE标准条件B(近场)：测试距离为100mm，相应立体角为0.01sr。

1.2 CIE明视觉光谱光视效率

人们最关心的是可见光波段辐射带给人眼的“明亮”和“颜色”的感觉。然而，各个波长的光给人眼带来的感觉并不一致，而且这种视觉反应因个体的差异有所不同。为了统一度量,便于科学、工业等的交流,CIE在大量心理学、物理学实验的基础上,提出明/暗视觉光谱光视效率曲线。图1是明视觉下的光谱光视效率曲线，以V(λ)表示，该曲线中，555nm即黄绿色时的光视效率最高，记为1。

图1 相对光谱光视效率曲线V(λ)(明视觉)Fig.1 Curve: Spectral luminous efficiency function for photopic vision

1.3 典型的LED相对光谱功率分布

单色LED的光谱既不是单色光谱(如激光)，也不是宽带光谱(如白炽灯)，而是介于两者之间(准单色光谱)，它的带宽大约几十个纳米。典型的LED可见光区域的相对光谱功率分布如图2—图5所示。

图2 典型红光LED相对光谱功率分布Fig.2 Relative spectral power distribution of typical red LED

图3 典型绿光LED相对光谱功率分布Fig.3 Relative spectral power distribution of typical green LED

图4 典型蓝光LED相对光谱功率分布Fig.4 Relative spectral power distribution of typical blue LED

图5 典型黄光LED相对光谱功率分布Fig.5 Relative spectral power distribution of typical yellow LED

1.4 LED光电参数测试仪的原理

LED光电参数测试仪是测量LED在可见光范围内的光参数和电参数的仪器(见图6)。LED光电参数测试仪由光、电两大部分组成的，主要包括传感器、输入电路、A/D转换电路和数字显示部分等。作为仪器传感器的光电接收器是仪器测量的关键部件，它由光电接收器(如硅光二极管)和恰当的滤光片匹配而成，使其光谱响应度曲线与标准光谱光视效率函数V(λ)曲线在整个可见光区相接近。此外，在光电接收器的前部设置有恒定长度的遮光筒，以确定接收器的视角大小和测量距离，筒内设有若干光阑，用来消除杂散辐射[1]。

图6 LED光电参数测试仪示意图Fig.6 Schematic diagram of LED photoelectric parameter tester

2 LED标准管标定

2.1 正向电流

使用一颗普通LED管作为测试负载，将标准电阻R(准确度等级不低于0.02级)串联到此测试电路中，仪器设定20mA稳流输出，通过用数字多用表(准确度等级不低于0.02级)测量标准电阻两端电压值，计算出正向电流标准值IA，电路连接如图7所示。

图7 LED光电参数测试仪正向电流测量原理图Fig.7 The forward current Measurement principle diagram of LED photoelectric parameter tester

(1)

2.2 CIE标准条件A/B平均发光强度

使用两套LED 标准管对仪器的CIE标准条件A/B平均发光强度进行校准。首先将正向电流误差修正后，将不同的LED 标准管依次装入LED 光电参数测试仪指定位置，调整LED和探测器的位置，使LED的发光轴线通过探测器孔径的中心与探测器表面垂直，并缓慢点燃LED 标准管至实测值为20mA。以LED封装顶点作为测量距离的起始点,调整二者之间的距离分别为316mm和100mm进行测量，CIE标准条件A/B平均发光强度测量原理图如图8所示。

图8 LED光电参数测试仪平均发光强度测量原理图Fig.8 The average luminous intensity measurement principle diagram of LED photoelectric parameter tester

使用两套LED标准管对某型号的LED光电参数测试仪CIE标准条件A平均发光强度进行测试，测试数据见表1。

表1 LED标准管法测量数据Table 1 Measurement result by standard LED method

3 发光强度标准灯标定

发光强度标准灯的玻壳应是无色透明、无反碱、发雾、玻纹、气泡等缺陷。玻壳的形状常见的有球形、斜倒锥、正倒锥和圆柱形,如图9所示。

图9 发光强度标准灯结构图Fig.9 Structure diagram of a standard source of irradiance

发光稳定性是标准灯的一个十分重要的特性，它与钨丝材料品质、灯泡结构、制造工艺水平、玻壳化学稳定性有关。在点燃时还与供电电源的稳定度有关。

本实验中采用的是BDQ7型一级发光强度标准灯(色温2856K)。发光强度标准灯结构如图9所示，其灯丝都在同一平面内，测量时应调整灯丝平面使其垂直于测量轴线，且中心在测量轴线上。

将一级发光强度标准灯和被检仪器安装在光度测量装置上，调整好它们的位置。改变标准灯到光度头之间的距离，读取被检仪器在测量点上的显示值,测量方法和计算公式均参照JJG 245—2005《光照度计》检定规程中6.3.4条款[3]。测量装置原理图如图10所示。

1—发光强度标准灯；2—光阑；3—被检LED光电参数测试仪；4—定位支座；5—光轨

根据公式I=El2和被测仪器内设的光强系数(如远场条件时l=0.316m，即光强系数l2=0.1m2。保持仪器内置距离为远场值不变，则I=0.1E)，计算出的结果如表2所示。

表2 发光强度标准灯法测量数据Table 2 Measurement result by a standard source of irradiance

4 数据分析

LED光电参数测试仪的探测器光谱响应必须进行修正，使它尽可能与V(λ)一致。实际上由于滤光片材料的限制，探测器的光谱响应度与CIE明视觉光谱光视效率V(λ)很难一致，通常CIE推荐的误差评价公式[2]为：

(2)

(3)

式中，PA(λ)为标准照明体A的相对光谱功率分布；Vt(λ)为探测器的相对光谱响应度；V(λ)为CIE明视觉光谱光视效率。

LED的光谱带宽比较窄，一般从十几纳米到几十个纳米(见图2—图5、图12)，发光强度标准灯的光谱是连续光谱(见图11)，所以特定波长有轻微匹配误差的探测器对LED的测量误差可能会比较大。

图11 色温2856K发光强度标准灯相对光谱功率分布图Fig.11 Relative spectral power distribution diagram of a standard source of irradiance in 2856K color temperature

图12 典型白光LED相对光谱功率分布图Fig.12 Relative spectral power distribution of typical white LED

由表1和表2的测量数据可见，使用LED标准管法标定被测仪器测量白光LED的相对示值误差，和发光强度标准灯法标定被测仪器的相对示值误差均为-2.0%。红光LED和蓝光LED相对示值误差分别为-17.0%和14.5%。我们将图12中白光LED相对光谱功率分布曲线，分为480nm以下的蓝光、480nm～580nm之间的绿光和580nm以上的红光三个波段，以1nm为数据间隔对曲线下的面积分别做积分，得到三色光辐射的相对权重因子为：SB=27.2，SG=35.6，SR=27.2。依据表1，测量红绿蓝三种色光相对误差平均值分别为：-16.95%、0.25%和14.45%。至此，可估算出被测仪器测量白光LED标准管的相对示值误差为-0.7%，与实际测量值的平均值-1.5%仅相差0.8%。数据的自洽性进一步印证了仪器测量这三种色光时的相对误差是可信的。

发光强度标准灯法可测量仪器线性和A光源下的相对示值误差；而LED标准管法可测量不同颜色光源的相对示值误差，从而针对不同颜色光源给出不同的修正系数。此法也可大致推算出仪器探头的光谱响应度曲线对明视觉曲线V(λ)的匹配误差，为仪器生产厂家提升探头的V(λ)匹配水平提供半定量的测试数据。

综上分析，用标准LED管法标定LED光电参数测试仪的发光强度特性更准确可靠。

[1] 马瑶. LED 光电参数测试仪法向发光强度示值校准的测量不确定度探讨[J]. 照明工程学报，2011,22(2):17-49.

[2] 郝允祥,陈遐举，张保洲. 光度学[M]. 北京：中国计量出版社，2010.

[3] 国家质量监督检验检疫总局，全国光学计量技术委员会. JJG 245—2002光照度计检定规程[S].北京：中国计量出版社，2005.