劉 慧， 趙偉強， 劉 建， 李 奕， 趙海粟

（1.中國計量科學研究院，北京 100029； 2.陜西省計量科學研究院，陜西西安 710065）

LED總光譜輻射通量測量技術的研究

劉 慧1， 趙偉強1， 劉 建1， 李 奕2， 趙海粟1

（1.中國計量科學研究院，北京 100029； 2.陜西省計量科學研究院，陜西西安 710065）

簡述了用變角輻射計測量光源的總輻射通量及總光譜輻射通量的原理和方法。介紹了變角輻射計的組成和特點，并使用該裝置測量了3種光源的輻射通量，測量結果的不確定度為1.6%～3.6%（k＝2）。由輻射通量計算得到的光通量與光度法測得的光通量的偏差小于0.9%，在不確定度范圍之內(nèi)。

計量學；輻射通量；光譜輻射通量；變角光譜輻射計；陣列光譜輻射計；LED

1 概 述

用于評價LED的光學參數(shù)主要有光效、總光通量、光強空間分布、色品坐標、總輻射通量、總光譜輻射通量。輻射通量是光源的基本技術參數(shù)。由于多數(shù)LED的準單色性及V（λ）函數(shù)的兩翼數(shù)值小，對于LED，尤其是紅色和藍色LED的特性評價，若采用總光通量，測量結果的一致和可靠性差。在我國十城萬盞照明工程的采購招標中發(fā)現(xiàn)，許多LED燈具光度參數(shù)的實際值與標稱值嚴重不符，大部分品種都有較大的偏差。而輻射通量則更能準確評價LED的特性和能源轉換效率，便于生產(chǎn)中的質量控制。目前普遍使用的積分球和光譜輻射計的組合進行總光通量和色度參數(shù)的測量［1，2］，常用總光通量標準燈和分布溫度標準燈定標，無法測量輻射通量。因此開展光源的總光譜輻射通量測試技術的研究，建立測量標準裝置，復現(xiàn)總光譜輻射通量單位的量值，對完善光輻射計量體系，促進LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有十分重要的意義。

2 總光譜輻射通量的測量原理

輻射通量或輻射功率（radiant power）是指光源以輻射的形式發(fā)射的功率，光譜輻射通量一般表示為輻射通量的光譜密集度按波長的分布，該量的符號為Φeλ（λ）（W／nm）?？偣庾V輻射通量是光源向4π空間發(fā)出的光譜輻射通量的總和?？偣庾V輻射通量的測量方法有絕對法和相對法［1，2］2種。

2.1 絕對測量方法

絕對法有2種測量方法，空間積分法和絕對積分球法。空間積分法是用變角輻射計測量光源光譜輻射強度的空間分布，經(jīng)數(shù)值積分計算出總光譜輻射通量和總輻射通量。

變角輻射計在4π立體角內(nèi)的各個方向（θ，φ）測量被測光源的光譜輻射強度（圖1），則總光譜輻射通量的光譜密集度Φeλ（λ）為：

式中：Ieλ（λ，θ，φ）為光源在球坐標系（θ，φ）中的輻射強度的光譜密集度，R為光源與光譜輻射計的探測器之間的距離。

光源在波長380～780 nm區(qū)間的總輻射通量為：

圖1 變角輻射計的球坐標系

絕對積分球法［3］是使用配備了光譜輻射計和精密光闌的積分球進行測量。光譜輻照度標準燈和一個精密光闌引入一束參考的輻射通量Φeλ，ref（λ）到積分球內(nèi)（圖2）。

式中：A為精密光闌的面積，Eλ（λ）為光譜輻照度標準燈在精密光闌處產(chǎn)生的輻射照度的光譜密集度。

通過比較被測燈光電信號γt（λ）與參考輻射通量的光電信號γref（λ），便可計算得到被測燈的總光譜輻射通量Φeλ，t（λ）。測量時還應考慮積分球的空間光譜響應的不均勻性及其他修正因素，若修正因子為kcor（λ），則有：

圖2 用于光譜輻射通量測量的絕對積分球

2.2 相對測量方法

相對法是開展量值傳遞和日常工作中常用的測量方法。該方法通過被測燈與總光譜輻射通量已知的標準燈相比較而求得被測燈的總光譜輻射通量。測量方法與光通量測量方法類似，但是應注意被測燈與標準燈的相對光譜功率分布應盡量接近，否則應考慮對測量結果進行修正。與絕對法相比，相對法測量設備費用低，占用的空間小，因此在光輻射測量領域已被廣泛使用。

2.3 輻射計的選擇

用于總輻射通量測量的探測器可選用光譜響應度平坦的探測器，如熱電探測器或與濾光片組合的光電探測器，也可選用陣列光譜輻射計。熱電探測器因為響應時間長，不適合用于變角輻射計測量系統(tǒng)；與濾光片組合的光電探測器，其平坦性僅為5%，用于測量光譜功率分布不平坦的燈如LED燈和氣體放電燈，會引起較大的測量誤差。陣列光譜輻射計較光譜響應平坦的光電探測器能得到更高的準確度，但其測量弱信號時，需要有較長的積分時間，測量時間為光電探測器的2～3倍。隨著陣列光譜輻射計性能的提高，已經(jīng)廣泛用于光輻射測量，可同時獲得被測燈的輻射度、顏色、光度參數(shù)。國外目前進行輻射通量的測量大多數(shù)都使用陣列光譜輻射計［2，4］。本項工作選用1024×128像素的陣列光譜輻射計，波長范圍為360～830 nm，測量時選用的波長范圍為380～780 nm；波長最大誤差0.3 nm；波長分辨力2.2 nm。

2.4 掃描間隔和曝光模式的選擇

變角輻射計的掃描模式有2種：步進掃描和連續(xù)掃描。步進掃描模式時，變角輻射計按一定的角度間隔轉動，在其停止轉動時光譜輻射計進行采樣，采樣完成后，光譜輻射計再轉到下一位置。其優(yōu)點是不會產(chǎn)生信號丟步，但是需要較長的測量時間。連續(xù)掃描模式是變角輻射計按照一定的速度連續(xù)轉動，光譜輻射計按照同樣的角度間隔即一定的時間間隔進行采樣。其優(yōu)點是測量時間短，但可能產(chǎn)生丟步或采樣位置不準。

光譜輻射計的曝光時間有2種設定方式：自動增益和固定積分時間。為保證測量的可靠性，本項工作采用步進掃描的模式，曝光時間設定為自動增益。但如果采樣時間已達到6 s，則結束采樣，這樣既保證了弱信號的采樣精度，又提高了測量的效率。

3 實驗裝置和實驗結果

根據(jù)LED光源的特點，在光源旋轉時不影響發(fā)光的穩(wěn)定性，研制了臥式變角光譜輻射計（圖3），它由陣列光譜輻射計和二維控制轉臺組成［4］。其水平軸（自轉軸）B在測量起始時與配套光學導軌軸線一致。測量時根據(jù)被測光源功率設定測試距離。

圖3 變角輻射計原理圖

如圖3所示，M為一水平轉臺，由步進電機驅動。轉臺轉動的最小步進角不大于3′，由14位的絕對編碼器測量轉過的角度θ，電腦顯示轉過的角度。轉臺轉動一周的時間為0.5～3 min，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)步進電機的轉速。轉臺上安裝被測燈自轉機構。自轉軸為一空心管，光源的夾具固定在空心管內(nèi)，并與空心管同軸，亦用步進電機驅動，水平軸（自轉軸）的步進角φ的最小步進值為30′。垂直軸A與水平軸B應正交，兩者的偏離不大于0.1 mm。用于測量LED模塊或小型射燈時，在自轉軸上可安裝夾持機構隨轉臺一起轉動。

在光學導軌上，采用分布溫度約為3200 K的光譜輻射照度標準燈，在距離光譜輻射計探測頭0.5 m處，校準光譜輻射計在波長380～780 nm間的光譜輻射照度的響應度；被測燈到探頭距離為1 m，則被測燈輻射照度的光譜密集度Et，λ（λ）為：

式中：mt，λ（λ）為被測燈的光電讀數(shù)；Es，λ（λ）為標準燈在0.5 m處的輻照度的光譜密集度，ms，λ（λ）為相應的光電讀數(shù)。在圖1中，把球面分成若干平行的球帶ΔSi（i＝1，2，…，n），每一個球帶又分成若干等分ΔSij（j＝1，2，…，m），在每一個小球面ΔSij處，測量被測光源在該球面上建立的輻照度的光譜密集度Et，λ（i，j），則光譜輻射通量的光譜密集度為［5］：

用測量裝置測量了OSHP LED-HW1大功率LED的輻射通量，測量結果見圖4、圖5。測量時采用等角度間隔法（Δθ＝5°），垂直軸的轉動范圍為（0°～360°）采樣間隔為5°，水平軸的轉動范圍為（0°～180°）角度間隔為15°，共測量12個截面。

圖4 OSHP LED-HW1 LED輻射強度空間分布

圖5 OSHP LED-HW1 LED光譜輻射通量

4 光通量量值的比對

由測量得到的光譜輻射通量根據(jù)式（10）可計算得到總光通量［6］。

式中：Km為人眼最大光譜視效能，V（λ）為人眼明視覺光譜光視效率。

對GE 24V 250W-2＃射燈、12V／10W 0902溴鎢燈、OSHP HW 1 LED的輻射通量進行了測量，將計算得到的總光通量與按照光度法測量測量得到總光通量的量值進行比較，測量結果的偏差小于0.9%，見表1。

表1 輻射法與光度法測得的光通量量值比較

5 不確定度評估

陣列光譜輻射計的雜散光和非線性是引起測量誤差的主要因素［2］。非線性可通過非線性矯正技術予以減小。雜散光與光譜輻射計的結構有關，不同波長時亦不同，較難修正，目前僅NIST等少數(shù)實驗室開展了基于激光的雜散光校正技術研究［7］。所用光譜輻射計的光柵的閃耀波長在500 nm附近，因此光譜輻射照度在紅端和藍端的不確定度較大。測量結果的不確定度評估見表2。

表2 輻射通量測量的不確定度評估（%）

6 結 語

使用總光譜輻射通量標準燈便可完成積分球和輻射計組合測試系統(tǒng)的輻射通量、光通量和顏色參數(shù)的同時校準，簡化了量值傳遞過程。項目所研制的變角輻射計實現(xiàn)了光源的總光譜輻射通量的絕對測量，為建立相應的計量標準體系及開展相對法量值傳遞奠定了基礎。

［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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［5］ 吳繼宗，葉關榮.光輻射測量［M］北京：機械工業(yè)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

中國計量科學研究院體改啟動項目（ATGQD07-1）

劉慧（1969－），女，陜西武功人，中國計量科學研究院副研究員，主要從事光度計量測試的研究。liuhui＠nim.ac.cn