LED总光谱辐射通量测量技术的研究

刘 慧， 赵伟强， 刘 建， 李 奕， 赵海粟

（1.中国计量科学研究院，北京 100029； 2.陕西省计量科学研究院，陕西西安 710065）

LED总光谱辐射通量测量技术的研究

刘 慧1， 赵伟强1， 刘 建1， 李 奕2， 赵海粟1

（1.中国计量科学研究院，北京 100029； 2.陕西省计量科学研究院，陕西西安 710065）

简述了用变角辐射计测量光源的总辐射通量及总光谱辐射通量的原理和方法。介绍了变角辐射计的组成和特点，并使用该装置测量了3种光源的辐射通量，测量结果的不确定度为1.6%～3.6%（k＝2）。由辐射通量计算得到的光通量与光度法测得的光通量的偏差小于0.9%，在不确定度范围之内。

计量学；辐射通量；光谱辐射通量；变角光谱辐射计；阵列光谱辐射计；LED

1 概 述

用于评价LED的光学参数主要有光效、总光通量、光强空间分布、色品坐标、总辐射通量、总光谱辐射通量。辐射通量是光源的基本技术参数。由于多数LED的准单色性及V（λ）函数的两翼数值小，对于LED，尤其是红色和蓝色LED的特性评价，若采用总光通量，测量结果的一致和可靠性差。在我国十城万盏照明工程的采购招标中发现，许多LED灯具光度参数的实际值与标称值严重不符，大部分品种都有较大的偏差。而辐射通量则更能准确评价LED的特性和能源转换效率，便于生产中的质量控制。目前普遍使用的积分球和光谱辐射计的组合进行总光通量和色度参数的测量［1，2］，常用总光通量标准灯和分布温度标准灯定标，无法测量辐射通量。因此开展光源的总光谱辐射通量测试技术的研究，建立测量标准装置，复现总光谱辐射通量单位的量值，对完善光辐射计量体系，促进LED产业的发展，具有十分重要的意义。

2 总光谱辐射通量的测量原理

辐射通量或辐射功率（radiant power）是指光源以辐射的形式发射的功率，光谱辐射通量一般表示为辐射通量的光谱密集度按波长的分布，该量的符号为Φeλ（λ）（W／nm）。总光谱辐射通量是光源向4π空间发出的光谱辐射通量的总和。总光谱辐射通量的测量方法有绝对法和相对法［1，2］2种。

2.1 绝对测量方法

绝对法有2种测量方法，空间积分法和绝对积分球法。空间积分法是用变角辐射计测量光源光谱辐射强度的空间分布，经数值积分计算出总光谱辐射通量和总辐射通量。

变角辐射计在4π立体角内的各个方向（θ，φ）测量被测光源的光谱辐射强度（图1），则总光谱辐射通量的光谱密集度Φeλ（λ）为：

式中：Ieλ（λ，θ，φ）为光源在球坐标系（θ，φ）中的辐射强度的光谱密集度，R为光源与光谱辐射计的探测器之间的距离。

光源在波长380～780 nm区间的总辐射通量为：

图1 变角辐射计的球坐标系

绝对积分球法［3］是使用配备了光谱辐射计和精密光阑的积分球进行测量。光谱辐照度标准灯和一个精密光阑引入一束参考的辐射通量Φeλ，ref（λ）到积分球内（图2）。

式中：A为精密光阑的面积，Eλ（λ）为光谱辐照度标准灯在精密光阑处产生的辐射照度的光谱密集度。

通过比较被测灯光电信号γt（λ）与参考辐射通量的光电信号γref（λ），便可计算得到被测灯的总光谱辐射通量Φeλ，t（λ）。测量时还应考虑积分球的空间光谱响应的不均匀性及其他修正因素，若修正因子为kcor（λ），则有：

图2 用于光谱辐射通量测量的绝对积分球

2.2 相对测量方法

相对法是开展量值传递和日常工作中常用的测量方法。该方法通过被测灯与总光谱辐射通量已知的标准灯相比较而求得被测灯的总光谱辐射通量。测量方法与光通量测量方法类似，但是应注意被测灯与标准灯的相对光谱功率分布应尽量接近，否则应考虑对测量结果进行修正。与绝对法相比，相对法测量设备费用低，占用的空间小，因此在光辐射测量领域已被广泛使用。

2.3 辐射计的选择

用于总辐射通量测量的探测器可选用光谱响应度平坦的探测器，如热电探测器或与滤光片组合的光电探测器，也可选用阵列光谱辐射计。热电探测器因为响应时间长，不适合用于变角辐射计测量系统；与滤光片组合的光电探测器，其平坦性仅为5%，用于测量光谱功率分布不平坦的灯如LED灯和气体放电灯，会引起较大的测量误差。阵列光谱辐射计较光谱响应平坦的光电探测器能得到更高的准确度，但其测量弱信号时，需要有较长的积分时间，测量时间为光电探测器的2～3倍。随着阵列光谱辐射计性能的提高，已经广泛用于光辐射测量，可同时获得被测灯的辐射度、颜色、光度参数。国外目前进行辐射通量的测量大多数都使用阵列光谱辐射计［2，4］。本项工作选用1024×128像素的阵列光谱辐射计，波长范围为360～830 nm，测量时选用的波长范围为380～780 nm；波长最大误差0.3 nm；波长分辨力2.2 nm。

2.4 扫描间隔和曝光模式的选择

变角辐射计的扫描模式有2种：步进扫描和连续扫描。步进扫描模式时，变角辐射计按一定的角度间隔转动，在其停止转动时光谱辐射计进行采样，采样完成后，光谱辐射计再转到下一位置。其优点是不会产生信号丢步，但是需要较长的测量时间。连续扫描模式是变角辐射计按照一定的速度连续转动，光谱辐射计按照同样的角度间隔即一定的时间间隔进行采样。其优点是测量时间短，但可能产生丢步或采样位置不准。

光谱辐射计的曝光时间有2种设定方式：自动增益和固定积分时间。为保证测量的可靠性，本项工作采用步进扫描的模式，曝光时间设定为自动增益。但如果采样时间已达到6 s，则结束采样，这样既保证了弱信号的采样精度，又提高了测量的效率。

3 实验装置和实验结果

根据LED光源的特点，在光源旋转时不影响发光的稳定性，研制了卧式变角光谱辐射计（图3），它由阵列光谱辐射计和二维控制转台组成［4］。其水平轴（自转轴）B在测量起始时与配套光学导轨轴线一致。测量时根据被测光源功率设定测试距离。

图3 变角辐射计原理图

如图3所示，M为一水平转台，由步进电机驱动。转台转动的最小步进角不大于3′，由14位的绝对编码器测量转过的角度θ，电脑显示转过的角度。转台转动一周的时间为0.5～3 min，可根据需要调节步进电机的转速。转台上安装被测灯自转机构。自转轴为一空心管，光源的夹具固定在空心管内，并与空心管同轴，亦用步进电机驱动，水平轴（自转轴）的步进角φ的最小步进值为30′。垂直轴A与水平轴B应正交，两者的偏离不大于0.1 mm。用于测量LED模块或小型射灯时，在自转轴上可安装夹持机构随转台一起转动。

在光学导轨上，采用分布温度约为3200 K的光谱辐射照度标准灯，在距离光谱辐射计探测头0.5 m处，校准光谱辐射计在波长380～780 nm间的光谱辐射照度的响应度；被测灯到探头距离为1 m，则被测灯辐射照度的光谱密集度Et，λ（λ）为：

式中：mt，λ（λ）为被测灯的光电读数；Es，λ（λ）为标准灯在0.5 m处的辐照度的光谱密集度，ms，λ（λ）为相应的光电读数。在图1中，把球面分成若干平行的球带ΔSi（i＝1，2，…，n），每一个球带又分成若干等分ΔSij（j＝1，2，…，m），在每一个小球面ΔSij处，测量被测光源在该球面上建立的辐照度的光谱密集度Et，λ（i，j），则光谱辐射通量的光谱密集度为［5］：

用测量装置测量了OSHP LED-HW1大功率LED的辐射通量，测量结果见图4、图5。测量时采用等角度间隔法（Δθ＝5°），垂直轴的转动范围为（0°～360°）采样间隔为5°，水平轴的转动范围为（0°～180°）角度间隔为15°，共测量12个截面。

图4 OSHP LED-HW1 LED辐射强度空间分布

图5 OSHP LED-HW1 LED光谱辐射通量

4 光通量量值的比对

由测量得到的光谱辐射通量根据式（10）可计算得到总光通量［6］。

式中：Km为人眼最大光谱视效能，V（λ）为人眼明视觉光谱光视效率。

对GE 24V 250W-2＃射灯、12V／10W 0902溴钨灯、OSHP HW 1 LED的辐射通量进行了测量，将计算得到的总光通量与按照光度法测量测量得到总光通量的量值进行比较，测量结果的偏差小于0.9%，见表1。

表1 辐射法与光度法测得的光通量量值比较

5 不确定度评估

阵列光谱辐射计的杂散光和非线性是引起测量误差的主要因素［2］。非线性可通过非线性矫正技术予以减小。杂散光与光谱辐射计的结构有关，不同波长时亦不同，较难修正，目前仅NIST等少数实验室开展了基于激光的杂散光校正技术研究［7］。所用光谱辐射计的光栅的闪耀波长在500 nm附近，因此光谱辐射照度在红端和蓝端的不确定度较大。测量结果的不确定度评估见表2。

表2 辐射通量测量的不确定度评估（%）

6 结 语

使用总光谱辐射通量标准灯便可完成积分球和辐射计组合测试系统的辐射通量、光通量和颜色参数的同时校准，简化了量值传递过程。项目所研制的变角辐射计实现了光源的总光谱辐射通量的绝对测量，为建立相应的计量标准体系及开展相对法量值传递奠定了基础。

［1］ Ohno Y，Zong Y.NIST Facility for Total Spectral Radiant Flux Calibration［C］／／Symposium ofMetrologia. CENAM，Mexico：BIPM，2004，1－6.

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［3］ Ohno Y.Realization of NIST 1995 Luminous Flux Scale using Integrating Sphere Method［J］.IES，1996，25（1）：13－22.

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［5］ 吴继宗，叶关荣.光辐射测量［M］北京：机械工业出版社，1992，179－180.

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Study on LED Total Spectral Radiant Flux Measurem ent Technology

LIU Hui1， ZHAOWei-qiang1， LIU Jian1， LIYi2， ZHAO Hai-su1
（1.National Institute ofMetrology，Beijing100029，China；
2.Shaanxi Institute of Metrology Science，Xi′an，Shaanxi710065，China）

The theory and method of measuring total radiant flux and total spectral radiant flux is described.The components and character of a goniospectroradiometer had been introduced.Three kind of light sources have been measured，themeasurement uncertainty is 1.6%～3.6%（k＝2）.Luminous flux calculated by the spectra radiant flux comparison with NIM′s photometric based luminous flux scale shows that agreement is within 0.9%，well within the combinedmeasurement uncertainty.

Metrology；Radiant flux；Spectral radiant flux；Goniospectroradiometer；Array-based spectral radiometer；LED

TB96

A

1000-1158（2014）06-0574-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．11

2013-10-25；

2014-03-24

中国计量科学研究院体改启动项目（ATGQD07-1）

刘慧（1969－），女，陕西武功人，中国计量科学研究院副研究员，主要从事光度计量测试的研究。liuhui＠nim.ac.cn