LED光通量检测

LED总光通量高精度检测最新进展

一. LED的特点和总光通量测量的挑战

众所周知，LED具有以下独特的发光性能：

LED产品对温度十分敏感；LED产品光束一般较窄，且通常采用光源和灯具一体化的设计，传统的相对测量不再适用，而绝对光通量和光强分布测量对方法和设备要求更高；LED产品的发光存在明显的空间颜色不均匀性等。

由于LED产品特殊的发光性能，其总光通量的精确测量极具挑战性，LED产品光效测量横向可比性还很不理想。LED产品总光通量测量已成为各国相关标准研究和制定中的重点关注问题。

二．测量LED总光通量的方法和设备

2.1 利用积分球系统精确测量LED光通量的挑战

积分球系统测量总光通量已被人们所熟知。但积分球系统中，LED产品的光谱分布和空间光强分布与常用标准灯间存在较大差异，会带来较大的测量误差。采用同类LED产品定标积分球系统能大幅提高测量精度，但需要更高精度的总光通量测量方法和设备作为LED产品的量值传递基准。

2.2 分布光度计测量LED的总光通量

分布光度计通过测量LED产品在空间的光强或照度分布，并对全空间积分得到总光通量，根据测量光路安排不同，分为光强积分法和照度积分法。分布光度计系统对LED产品的外形、尺寸和光束角没有特别限制，但保持LED产品自身温度稳定是十分关键的。

2.2.1 光强积分法：中心旋转反射镜式分布光度计

中心旋转反射镜式分布光度计已有几十年历史，如图1，被测LED产品必须在相当大的空间范围内绕反射镜反向同步旋转。除了同步误差不可避免外，该分布光度计中的被测LED产品的温度存在较大的不稳定性：暗室中往往存在上部温度高而下部温度低的现象，温度差一般在2~5℃，被测LED产品实际工作在交变的环境温度之中，且运转空间越大，温差也越大；

被测LED产品在运动中产生气流，导致表面温度大幅变化，热惯性则会进一步加剧这种变化。由这些不稳定因素带来的测量误差因LED产品的设计不同而不同，严重时可达5%以上，加之中心反射镜所无法避免的原理性误差[4]，对于总光通量测量则可达到10%以上的误差。

2.2.2光强积分法：灯具旋转式分布光度计

灯具旋转式分布光度计是另一种常用分布光度计，它结构简单，如图2所示，被测LED产品绕其自身水平轴和垂直轴旋转，而光度探测器保持静止。

在该分布光度计中，被测LED产品仅绕自身中心转动，环境温度变化和周围气流都比中心旋转反射镜式分布光度计小得多，LED产品的稳定性较高，能达到很高的光强分布测量精度，相应的总光通量测量精度也较高。

因此，对于LED产品的测量而言，中心旋转反射镜分布光度计除造价高、日常运行成本高、占用空间大以外，各方面的性能均不如灯具旋转式分布光度计。

2.2.3 照度积分法和相应的分布光度计

照度积分法测量总光通量与光强法测量总光通量的主要区别是不需要很长的测量距离，是多数国家的国家计量实验室实现总光通量基准的方法[1]。图3为CIE84-1989推荐的照度积分法的典型分布光度计。被测LED产品处于光度探测器的旋转中心，在光度取样中保持静止的稳定状态，探测器直接接收来自被测LED产品的光束，避免了其它中间环节，可实现极高的总光通量测量精度。

目前主要发达国家已经完成或竞相研究利用照度积分法测量LED总光通量的分布光度计。英国NPL虽已拥有中心旋转反射镜式分布光度计，但为精确测量总光通量和小光源(如LED)的光强，NPL使用图4所示的基于照度积分法的分布光度计。

图5所示为德国PTB的新一代分布光度计[2]在测量阵列LED时的照片。系统具有三个机械臂、每个机械臂有七个可控制轴，实现被测LED产品的悬挂和探测器定位，整个系统精度很高，体积庞大，造价不菲。

美国NIST开发了图6所示的分布光谱辐射计系统[3]来定标LED产品总光通量。美国照明研究中心（LRC）也正在研究开发名为FLUX-O-METER分布光度计系统，以采用照度积分法实现总光通量测量，目前已形成样机。

三、 我国LED总光通量测量研究进展

我国在LED产品总光通量方面作了大量的研究和交流工作，且已跻身世界照明光电检测的先进行列，拥有较为完备的积分球测量技术，同时具备了世界上各种常用分布光度计的自主开发生产能力。

为适应LED产品总光通量的高精度测量要求，我国成功开发了GO-R3000 2M2D双镜分布光度计，拥有数项核心技术专利。该系统受到了德国著名分布光度计专家Peter Marx教授的高度赞誉，他不仅在德国专

业照明杂志上撰文报道，还以多年的分布光度计研究和开发经验指导远方公司进一步完善GO-R3000的每一个细节。

在GO-R3000 2M2D双镜分布光度计系统面世不长的时间里，该系统就已经被国际著名公司、大学以及部分国家和地区的国家级实验室采用。远方公司新近在英国COOPER公司和台湾工业研究院建立的GO-R3000 2M2D双镜分布光度计系统也同样因为其性能卓越，受到了客户和测光专家的特别好评。

3.1 用GO-R3000 实现总光通量的基准测量方法

如图9所示的GO-R3000 2M2D双镜分布光度计系统中具有两面反射镜和两个探测器，用两个反射镜和第一探测器，可以实现极为精确的光强分布测量；用第二探测器可实现照度积分法总光通量的测量，即总光通量的基准测量方法。具体做法是：将旋转反光镜和固定反光镜用黑布遮住，第二探测器直接测量包围被测LED产品的虚拟球表面照度。其测量几何、转角精度、最小角度步长和探测器精度均符合CIE 84-1989关于照度分布法测量总光通量的规定，能够实现各种LED产品的总光通量测量的最高精度测量。

在测量中，LED产品按规定姿态点燃于旋转中心，具有很高的稳定性，大量实验验证，GO-R3000的在快速测量状态下动态光度重复性为0.1%，明显优于传统的中心反射镜分布光度计的1%~3%的动态光度重复性水平。

第二探测器还能以很高精度实现小尺寸LED产品的光强分布测量；对于大尺寸或窄光束角的LED产品的光强分布测量可采用第一探测器，第一探测器接收来自被测光源并先后经过旋转反射镜和固定反射镜的光束，实现精确的远场光强分布（即配光性能）的测量。

3.2 我国LED产品总光通量测量的标准化进展

目前我国很多LED产品的相关标准正在制定或准备之中，其中将LED总光通量测量作为重点内容加以详细规定的有：由全国照明电器标准化技术委员会负责制定的《普通照明用LED模块测试方法》（审定稿），由国家半导体照明工程研发及产业联盟发布的《整体式LED路灯的测量方法》推荐性技术规范等。这些标准或技术规范中均以照度积分法为LED产品的总光通量的基准测量方法，同时列出了国际通用的其它测量总光通量方法（积分球方法、光强积分法），并对测量设备性能提出了要求，为LED产品的总光通量测量明确了方法。

四. 小结

随着LED的发展，LED产品的光效测量越来越受到人们的重视。由于LED产品的特殊性，为实现LED产品总光通量的基准测量，各国纷纷将研究重点放在了最基础的照度积分法上。中国测光界在总光通量测量方面也作了较为全面的研究，获得多项自主专利，站到了世界先进行列。由于远方公司开发的GO-R3000 2M2D双镜分布光度计能实现各种LED产品的总光通量基准测量和光强分布的精确测量，性能卓越，受到了国际测光专家和用户的一致好评，产品已出口英国、意大利、德国、土耳其、巴西、美国、台湾等多个国家和地区，建立了多个国际先进测光实验室。