用于大功率LED模块光通量测试的积分球装置及其测试方法的研究

陈 鹏,王海波,朱月华,肖勇强,卓宁泽

(1.国家轻工业电光源材料质量监督检测中心，江苏 南京 210015;2.南京工业大学电光源材料研究所，江苏 南京 210015)



用于大功率LED模块光通量测试的积分球装置及其测试方法的研究

陈 鹏1,王海波2,朱月华1,肖勇强2,卓宁泽2

(1.国家轻工业电光源材料质量监督检测中心，江苏 南京 210015;2.南京工业大学电光源材料研究所，江苏 南京 210015)

对大功率LED模块的光通量测试做了研究。针对积分球测试系统中，在系统装置和测试方法上存在的争议，通过理论分析提出了一个新的积分球系统测量装置模型。通过实验，验证、修正了装置的准确性，并对其测量原理、自吸收校正、系统的光通量定标、不确定度分析以及相关测试方法进行了研究和探讨，对不同的样品做了实验，并给出了实验结果。结果表明，积分球装置便于改造，实验数据符合照明设计的需求，为大功率LED模块的光通量测量提供了新的、经济、高效的解决方案。

大功率LED模块;光通量测试;积分球;测试系统;测试方法

引言

LED相比传统光源有更高的能效和更长的寿命，已日益成为多种照明应用的首选光源。大功率LED模块是采用大尺寸LED芯片设计生产的，功率通常在1W及以上，可承受300mA以上的工作电流，输出100lm以上的光通量，被广泛应用于各类照明灯具中。在LED灯具的制造过程中，为了增加产量，实现准确的分级，从而降低制造的总成本，照明灯具的设计人员必须准确地知道LED模块性能，因此光通量的检测是必不可少的。而在测试一个普通照明用LED模块(不带整体式控制装置的LED模块简称为“LED模块”[1])时，在特定的环境温度和没有散热器的情况下，光通量由于受其工作时的结温和热阻的影响，无法保证检测数据的稳定性、准确性和重现性[2]。

传统光源的光通量测量通常采用分布式光度计或是积分球系统进行测量。分布式光度计在测量上比积分球系统更加准确，但其价格昂贵、设置苛刻、易受干扰、测量费时。积分球系统由于其价格便宜、测量速度快、无需暗室等优点，成为照明测量领域被广泛使用的设备(其4π几何结构如图1所示)。然而LED模块在积分球系统中测量其光通量，在系统装置和测试方法上尚有争议，如：(1)LED模块光通量受其工作热阻的影响无法稳定[3]；(2)沿用传统光源的光通量测试方法在积分球内放置挡屏等物体，由于测试LED的积分球一般很小，积分球理论将无法满足，从而造成测试原理性误差[4]；(3)使用常规标准灯或是LED标准灯都无法准确的为待测LED做光通量定标[4]等。

图1 传统光通量测试的积分球4π几何结构图Fig.1 Traditional flux test of integrating sphere 4π geometry chart

本文对大功率LED模块的光通量测试做了研究，通过理论分析提出了一个新的积分球系统测量装置模型，通过实验，验证、提高了装置的准确性，对其测量原理、自吸收校正、系统的光通量定标、不确定度分析以及相关测试方法进行了研究和探讨，并对不同厂家的大功率LED模块做了光通量测试，给出了在热稳定温度下的光通量测试结果。结果表明，积分球装置便于改造，实验数据适用于照明设计的需求，为大功率LED模块的光通量测量提供了新的、经济、高效的解决方案。

1 积分球装置

光通量测试的积分球4π几何结构图(如图2所示)：积分球(自制，直径30cm)、光度探头(经V(λ)校正和余弦校正)、光源支架(自制)、LED辅助灯、PT1000数字温度计。

图2 光通量测试的积分球4π几何结构图Fig.2 Flux test integrating sphere 4π geometry chart

1.1 积分球装置介绍

1.1.1 积分球

积分球自制。选择直径较大的积分球，可确保挡板和自吸收造成的测量误差在测试中不会很明显，一般积分球直径应取待测灯最大尺寸的10倍以上[5]。根据大功率LED模块的通用产品尺寸，我们选择直径为30cm的积分球。积分球内壁涂层按照GB/T 15043—2008《白炽灯泡光电参数的测量方法》的要求，将漫反射比达96%以上的硫酸钡涂料涂覆的在可见光区。在固定的左半球侧中间位置开约50mm直径的孔，用于安装光源支架；侧上方的位置，使得光度探头与光源支架在球心位置形成的夹角约75°处，开约10mm直径的孔，用于安装光度探头；在侧下方的位置开约22mm直径的孔，用于安装辅助灯。为了更准确的测量积分球装置内的自吸收效应，辅助灯选择与被测LED的光谱分布类似的，发光稳定的LED灯珠。辅助灯的挡板须遮挡住其射向窗口和被测灯的直射光。

1.1.2 光源支架

光源支架自制，中心材质为铜(为了更好的散热)，外包裹橡塑材料，可避免把模块工作热量传递到球壁，影响测试结果；也方便在外表面涂覆硫酸钡，以增加球内空间的漫反射比，减小自吸收。支架头设有LED模块夹具座(如图3所示)，螺丝可更换，以适应不同尺寸的LED模块测试。侧面贴有温度传感器，可监控LED模块的工作温度。为了不破坏球体内壁，尽可能地减小测量误差，我们选择将挡板装在支架上，挡板直径约20mm。

图3 LED模块夹具座Fig.3 LED module fixture seat

1.1.3 测试原理

待测光源在积分球装置的光通量Φtest是通过与标准灯比较得到

(1)

其中Φstd是标准灯的光通量，Ytest和Ystd分别是待测光源和标准灯的光度计读数，F是光谱失配校正系数，ɑ是自吸系数。

1.2 积分球装置校准实验

积分球测试的误差系数主要有：空间响应度、空间修正系数、光谱失配校正系数、自吸收校正系数，若它们均接近1，且被测光源、标准光源和辅助光源在发光光谱、光通量及发光强度分布曲线上相似，则在测试结果的修正中，以上系数可忽略。

1.2.1 积分球空间响应度

试验如图4所示，积分球外设一个发光稳定的100W白炽灯泡，通过辅助灯入口入射进球，与球内光源支架上的5W卤素灯发出的光进行比较，以获得积分球的空间响应度。

图4 积分球内部的空间响应度试验Fig.4 Inside the integrating sphere of the space response test

在暗室中，打开外部光源，光通量可表示为：

(2)

其中Ev是入射孔的照度，S0是入射孔径的面积，光度计接收到的光电流信号是Yext。关闭外部光源，打开内部光源后，光通量可表示为：

(3)

其中Yint是光度计接收到的光电流信号，Rs是校正因子，它来源于积分球的空间响应。若假设积分球有完全均匀的空间响应，考虑到入射孔照度的不均匀性，由式(2)、式(3)可得：

(4)

其中Ki是入射孔照度不均匀性的校正因子。通过试验计算，积分球空间响应度为0.98。

1.2.2 积分球内空间修正系数

为了确定球内空间修正系数，考虑到4π测量时LED模块发光的方向性，积分球的空间响应分布函数(SRDF)必须被表征。SRDF中K(θ,φ)是由旋转束型光源在积分球内球心位置向(θ,φ)投射定量窄光束，被球内壁多次漫反射后，光度计的读数(如图5所示)。考虑到LED窄光束的特性，我们选择用单色LED来测试。在测试中，我们注意到蓝光和红光的LED，其波段的V(λ)值很小，使得对应的光谱相对灵敏度误差偏大，而绿光LED则相对稳定，因此在积分球侧面50mm孔径中心，我们将一已知相对发光强度的绿光LED置于一个铝管内(内面涂黑，光束角约10°)，每5°间隔变换θ角，每30°间隔变换φ角旋转扫描[6]。

图5 积分球内SRDF测试示意图Fig.5 Schematic integrating sphere SRDF test

由图2可知，光源的反射光来源于积分球的垂直面，因此只需测量垂直方向的空间响应分布。基于光度探头接收到的光圈的面积，旋转测量的角度定在±65°。测量结果归一后，K′(θ,φ)可表示为：

(5)

可设定K(0,0)为单位1，计算测量结果如图6所示(其中负角度表示探头的侧面和球体的下半部分)。由图6可见，在积分球的垂直方向空间响应分布相对均衡，测试误差偏小。

图6 积分球在垂直方向的空间响应分布Fig.6 Integrating sphere in the vertical direction of spatial distribution of response

积分球内空间修正系数KSRDF可表示为：

(6)

其中Irel(θ,φ)是被测灯的相对发光强度分布。通过试验计算，积分球内空间修正系数约为1.005。

1.2.3 光谱失配校正系数

光度计的光谱响应度无法完全与V(λ)函数匹配，当被测LED的光谱能量分布与标准灯不一样时，就会出现光谱失配误差，其校正系数F用公式表示为：

(7)

其中Sstd(λ)是标准光源的光谱分布，Srel(λ)是球体系统的相对光谱响应度，V(λ)是光谱发光效能。考虑到积分球装置是设计为大功率LED模块的光通量测试，被测光源、标准光源与辅助光源均选择有类似光谱分布的LED模块。在本项测试中，选择测量一个白光LED模块以计算得到的修正系数约为1.01。

1.2.4 自吸收校正系数

若被测光源与标准光源的类型和尺寸有差异，则积分球须考虑自吸收校正。在本装置中，被测光源、标准光源和辅助光源在发光光谱、光通量及发光强度分布曲线上相似，且选择经江苏省计量院校准后，系列量值稳定的大功率LED模块做为量值传递光源，因此自吸校正系数可忽略。

1.2.5 光度计的位置修正

在传统的4π结构积分球的光通量测试中(如图1所示)，光源与光度探头在同一平面内成90°放置，以此测试的数据为基准，在同平面内的0°～90°间，每10°变换光度探头的位置，对一可稳定发白光的LED模块做光通量的测试，光度计的位置与光通量变化的关系如图7所示。

图7 光度计位置与光通量变化的关系Fig.7 Relationship with the flux changes and photometer position

如图7可见，在光度计与光源在同一平面的夹角成75°～90°间，其光通量变化最接近0，在测试结果中可忽略。考虑到光度计在积分球装置上的安装便利，光度计的位置选择在积分球侧面，与光源支架头成75°偏上的夹角处。

2 测试方法

2.1 测试系统工作结构图(如图8所示)

图8 测试系统工作结构图Fig.8 Work structure of the test system

2.2 测试步骤示意图(如图9所示)

图9 测试步骤示意图Fig.9 Schematic test procedure

2.3 测试部分

2.3.1 仪器与样品

仪器：经过计量的直流稳流稳压源、积分球装置、光谱测试系统、智能电量测量仪。

待测光源样品：6个不同厂家的1W白光LED模块，标准光源：3个1W白光的光通量标准LED灯珠，辅助灯：1W白光LED灯珠。

2.3.2 系统光通量定标

设标准LED灯珠的光通量值为Φstd，依次将标准光源在积分球装置内进行光通量测试后，取3个标样的光通量平均值Φave，系统光通量的示值误差可表示为

(8)

其中Φstd取最大值。

2.3.3 系统光通量测量不确定度分析

LED光通量测量中，不确定度的主要来源有：由重复性测量引起(u1)、由测量仪器引起(u2)、由光通量标准灯的量值引起(u3)[7]。基于此，系统光通量测量不确定度分量如表1所示。

由于以上3个分量互不相关，因此合成的不确定度为

(9)

取k=2，则相对扩展不确定度为

(10)

因此，系统光通量的测量取值范围为 [-1.1%，1.1%]。

2.3.4 样品测试

将6个LED样品分别装在光源支架上(散热面积相同)，在350mA电流下进行测试，测试步骤及相关试验条件的要求参照GB/T 24824标准，其中LED工作的热系数(结温、K系数、热阻)的测量方法基于文献[2]的推荐。测试/计算测试样品在稳定的工作温度下的光通输出的衰减比例，结果如表2所示。

表2 样品在热稳定温度下的光衰Table 2 Light fades sample at thermal stability temperature

3 结论

由于LED模块光通量受其工作温度的影响，因此在LED模块应用于照明灯具时，照明灯具的设计人员需准确知道其在已知的散热面积和稳定的工作温度下的光通量，以用于灯具的设计。本文针对传统的积分球系统在测量大功率LED模块光通量的过程中，在系统装置和测试方法中出现的争议，做了系统性研究，提出了一个新的积分球系统测量装置模型，给出了测试方法，对其测量原理、自吸收校正、系统的光通量定标、不确定度分析以及相关测试方法进行了研究和探讨。通过实验，验证、修正了装置的准确性，对样品做了测试，给出了实验结果。结果表明，积分球装置便于改造，实验数据适用于照明设计的需求，为大功率LED模块的光通量测量提供了新的、经济、高效的解决方案。

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Integrating Sphere Device and Test Methods of the Flux Test of Power LED Modules for Research

Chen Peng1,Wang Haibo2,Zhu Yuehua1,Xiao Yongqiang2,Zhuo Ningze2

(1.TheNationalLightIndustryElectronicLightSourceMaterialsQualitySurveillanceExaminestheCenter，Nanjing210015，China;2.TheResearchInstituteofElectricLightSourceMaterialsofNanjingUniversityofTechnology，Nanjing210015，China)

In this paper, it researches the flux testing methods for high-power LED modules. Since there are controversies between the system device and test methods, through theoretical analysis a new model is proposed for integrating sphere system measuring device. The accuracy of the device was validated and corrected through experiments. Its measurement principle, self-absorption correction, system flux calibration, uncertainty analysis and related test method have been studied and discussed. Experiments were conducted with different samples and the results were generated. The results show that integrating sphere device is easy for modification and the experiment data are consistent with the lighting design needs. It provides a new and cost-effective solution for the high power LED module’s flux measurements.

high-power LED modules; flux test; integrating sphere; test systems; test method

科技型中小企业技术创新基金补助资金项目(13C26243202133)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.004