陳 鵬,王海波,朱月華,肖勇強(qiáng),卓寧澤

(1.國(guó)家輕工業(yè)電光源材料質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，江蘇 南京 210015;2.南京工業(yè)大學(xué)電光源材料研究所，江蘇 南京 210015)

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用于大功率LED模塊光通量測(cè)試的積分球裝置及其測(cè)試方法的研究

陳 鵬1,王海波2,朱月華1,肖勇強(qiáng)2,卓寧澤2

(1.國(guó)家輕工業(yè)電光源材料質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，江蘇 南京 210015;2.南京工業(yè)大學(xué)電光源材料研究所，江蘇 南京 210015)

對(duì)大功率LED模塊的光通量測(cè)試做了研究。針對(duì)積分球測(cè)試系統(tǒng)中，在系統(tǒng)裝置和測(cè)試方法上存在的爭(zhēng)議，通過(guò)理論分析提出了一個(gè)新的積分球系統(tǒng)測(cè)量裝置模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證、修正了裝置的準(zhǔn)確性，并對(duì)其測(cè)量原理、自吸收校正、系統(tǒng)的光通量定標(biāo)、不確定度分析以及相關(guān)測(cè)試方法進(jìn)行了研究和探討，對(duì)不同的樣品做了實(shí)驗(yàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，積分球裝置便于改造，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合照明設(shè)計(jì)的需求，為大功率LED模塊的光通量測(cè)量提供了新的、經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。

大功率LED模塊;光通量測(cè)試;積分球;測(cè)試系統(tǒng);測(cè)試方法

引言

LED相比傳統(tǒng)光源有更高的能效和更長(zhǎng)的壽命，已日益成為多種照明應(yīng)用的首選光源。大功率LED模塊是采用大尺寸LED芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，功率通常在1W及以上，可承受300mA以上的工作電流，輸出100lm以上的光通量，被廣泛應(yīng)用于各類照明燈具中。在LED燈具的制造過(guò)程中，為了增加產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的分級(jí)，從而降低制造的總成本，照明燈具的設(shè)計(jì)人員必須準(zhǔn)確地知道LED模塊性能，因此光通量的檢測(cè)是必不可少的。而在測(cè)試一個(gè)普通照明用LED模塊(不帶整體式控制裝置的LED模塊簡(jiǎn)稱為“LED模塊”[1])時(shí)，在特定的環(huán)境溫度和沒(méi)有散熱器的情況下，光通量由于受其工作時(shí)的結(jié)溫和熱阻的影響，無(wú)法保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性[2]。

傳統(tǒng)光源的光通量測(cè)量通常采用分布式光度計(jì)或是積分球系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。分布式光度計(jì)在測(cè)量上比積分球系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，但其價(jià)格昂貴、設(shè)置苛刻、易受干擾、測(cè)量費(fèi)時(shí)。積分球系統(tǒng)由于其價(jià)格便宜、測(cè)量速度快、無(wú)需暗室等優(yōu)點(diǎn)，成為照明測(cè)量領(lǐng)域被廣泛使用的設(shè)備(其4π幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示)。然而LED模塊在積分球系統(tǒng)中測(cè)量其光通量，在系統(tǒng)裝置和測(cè)試方法上尚有爭(zhēng)議，如：(1)LED模塊光通量受其工作熱阻的影響無(wú)法穩(wěn)定[3]；(2)沿用傳統(tǒng)光源的光通量測(cè)試方法在積分球內(nèi)放置擋屏等物體，由于測(cè)試LED的積分球一般很小，積分球理論將無(wú)法滿足，從而造成測(cè)試原理性誤差[4]；(3)使用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)燈或是LED標(biāo)準(zhǔn)燈都無(wú)法準(zhǔn)確的為待測(cè)LED做光通量定標(biāo)[4]等。

圖1 傳統(tǒng)光通量測(cè)試的積分球4π幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Traditional flux test of integrating sphere 4π geometry chart

本文對(duì)大功率LED模塊的光通量測(cè)試做了研究，通過(guò)理論分析提出了一個(gè)新的積分球系統(tǒng)測(cè)量裝置模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證、提高了裝置的準(zhǔn)確性，對(duì)其測(cè)量原理、自吸收校正、系統(tǒng)的光通量定標(biāo)、不確定度分析以及相關(guān)測(cè)試方法進(jìn)行了研究和探討，并對(duì)不同廠家的大功率LED模塊做了光通量測(cè)試，給出了在熱穩(wěn)定溫度下的光通量測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，積分球裝置便于改造，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)適用于照明設(shè)計(jì)的需求，為大功率LED模塊的光通量測(cè)量提供了新的、經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。

1 積分球裝置

光通量測(cè)試的積分球4π幾何結(jié)構(gòu)圖(如圖2所示)：積分球(自制，直徑30cm)、光度探頭(經(jīng)V(λ)校正和余弦校正)、光源支架(自制)、LED輔助燈、PT1000數(shù)字溫度計(jì)。

圖2 光通量測(cè)試的積分球4π幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Flux test integrating sphere 4π geometry chart

1.1 積分球裝置介紹

1.1.1 積分球

積分球自制。選擇直徑較大的積分球，可確保擋板和自吸收造成的測(cè)量誤差在測(cè)試中不會(huì)很明顯，一般積分球直徑應(yīng)取待測(cè)燈最大尺寸的10倍以上[5]。根據(jù)大功率LED模塊的通用產(chǎn)品尺寸，我們選擇直徑為30cm的積分球。積分球內(nèi)壁涂層按照GB/T 15043—2008《白熾燈泡光電參數(shù)的測(cè)量方法》的要求，將漫反射比達(dá)96%以上的硫酸鋇涂料涂覆的在可見(jiàn)光區(qū)。在固定的左半球側(cè)中間位置開(kāi)約50mm直徑的孔，用于安裝光源支架；側(cè)上方的位置，使得光度探頭與光源支架在球心位置形成的夾角約75°處，開(kāi)約10mm直徑的孔，用于安裝光度探頭；在側(cè)下方的位置開(kāi)約22mm直徑的孔，用于安裝輔助燈。為了更準(zhǔn)確的測(cè)量積分球裝置內(nèi)的自吸收效應(yīng)，輔助燈選擇與被測(cè)LED的光譜分布類似的，發(fā)光穩(wěn)定的LED燈珠。輔助燈的擋板須遮擋住其射向窗口和被測(cè)燈的直射光。

1.1.2 光源支架

光源支架自制，中心材質(zhì)為銅(為了更好的散熱)，外包裹橡塑材料，可避免把模塊工作熱量傳遞到球壁，影響測(cè)試結(jié)果；也方便在外表面涂覆硫酸鋇，以增加球內(nèi)空間的漫反射比，減小自吸收。支架頭設(shè)有LED模塊夾具座(如圖3所示)，螺絲可更換，以適應(yīng)不同尺寸的LED模塊測(cè)試。側(cè)面貼有溫度傳感器，可監(jiān)控LED模塊的工作溫度。為了不破壞球體內(nèi)壁，盡可能地減小測(cè)量誤差，我們選擇將擋板裝在支架上，擋板直徑約20mm。

圖3 LED模塊夾具座Fig.3 LED module fixture seat

1.1.3 測(cè)試原理

待測(cè)光源在積分球裝置的光通量Φtest是通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)燈比較得到

(1)

其中Φstd是標(biāo)準(zhǔn)燈的光通量，Ytest和Ystd分別是待測(cè)光源和標(biāo)準(zhǔn)燈的光度計(jì)讀數(shù)，F(xiàn)是光譜失配校正系數(shù)，ɑ是自吸系數(shù)。

1.2 積分球裝置校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

積分球測(cè)試的誤差系數(shù)主要有：空間響應(yīng)度、空間修正系數(shù)、光譜失配校正系數(shù)、自吸收校正系數(shù)，若它們均接近1，且被測(cè)光源、標(biāo)準(zhǔn)光源和輔助光源在發(fā)光光譜、光通量及發(fā)光強(qiáng)度分布曲線上相似，則在測(cè)試結(jié)果的修正中，以上系數(shù)可忽略。

1.2.1 積分球空間響應(yīng)度

試驗(yàn)如圖4所示，積分球外設(shè)一個(gè)發(fā)光穩(wěn)定的100W白熾燈泡，通過(guò)輔助燈入口入射進(jìn)球，與球內(nèi)光源支架上的5W鹵素?zé)舭l(fā)出的光進(jìn)行比較，以獲得積分球的空間響應(yīng)度。

圖4 積分球內(nèi)部的空間響應(yīng)度試驗(yàn)Fig.4 Inside the integrating sphere of the space response test

在暗室中，打開(kāi)外部光源，光通量可表示為：

(2)

其中Ev是入射孔的照度，S0是入射孔徑的面積，光度計(jì)接收到的光電流信號(hào)是Yext。關(guān)閉外部光源，打開(kāi)內(nèi)部光源后，光通量可表示為：

(3)

其中Yint是光度計(jì)接收到的光電流信號(hào)，Rs是校正因子，它來(lái)源于積分球的空間響應(yīng)。若假設(shè)積分球有完全均勻的空間響應(yīng)，考慮到入射孔照度的不均勻性，由式(2)、式(3)可得：

(4)

其中Ki是入射孔照度不均勻性的校正因子。通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算，積分球空間響應(yīng)度為0.98。

1.2.2 積分球內(nèi)空間修正系數(shù)

為了確定球內(nèi)空間修正系數(shù)，考慮到4π測(cè)量時(shí)LED模塊發(fā)光的方向性，積分球的空間響應(yīng)分布函數(shù)(SRDF)必須被表征。SRDF中K(θ,φ)是由旋轉(zhuǎn)束型光源在積分球內(nèi)球心位置向(θ,φ)投射定量窄光束，被球內(nèi)壁多次漫反射后，光度計(jì)的讀數(shù)(如圖5所示)。考慮到LED窄光束的特性，我們選擇用單色LED來(lái)測(cè)試。在測(cè)試中，我們注意到藍(lán)光和紅光的LED，其波段的V(λ)值很小，使得對(duì)應(yīng)的光譜相對(duì)靈敏度誤差偏大，而綠光LED則相對(duì)穩(wěn)定，因此在積分球側(cè)面50mm孔徑中心，我們將一已知相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的綠光LED置于一個(gè)鋁管內(nèi)(內(nèi)面涂黑，光束角約10°)，每5°間隔變換θ角，每30°間隔變換φ角旋轉(zhuǎn)掃描[6]。

圖5 積分球內(nèi)SRDF測(cè)試示意圖Fig.5 Schematic integrating sphere SRDF test

由圖2可知，光源的反射光來(lái)源于積分球的垂直面，因此只需測(cè)量垂直方向的空間響應(yīng)分布?；诠舛忍筋^接收到的光圈的面積，旋轉(zhuǎn)測(cè)量的角度定在±65°。測(cè)量結(jié)果歸一后，K′(θ,φ)可表示為：

(5)

可設(shè)定K(0,0)為單位1，計(jì)算測(cè)量結(jié)果如圖6所示(其中負(fù)角度表示探頭的側(cè)面和球體的下半部分)。由圖6可見(jiàn)，在積分球的垂直方向空間響應(yīng)分布相對(duì)均衡，測(cè)試誤差偏小。

圖6 積分球在垂直方向的空間響應(yīng)分布Fig.6 Integrating sphere in the vertical direction of spatial distribution of response

積分球內(nèi)空間修正系數(shù)KSRDF可表示為：

(6)

其中Irel(θ,φ)是被測(cè)燈的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度分布。通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算，積分球內(nèi)空間修正系數(shù)約為1.005。

1.2.3 光譜失配校正系數(shù)

光度計(jì)的光譜響應(yīng)度無(wú)法完全與V(λ)函數(shù)匹配，當(dāng)被測(cè)LED的光譜能量分布與標(biāo)準(zhǔn)燈不一樣時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)光譜失配誤差，其校正系數(shù)F用公式表示為：

(7)

其中Sstd(λ)是標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜分布，Srel(λ)是球體系統(tǒng)的相對(duì)光譜響應(yīng)度，V(λ)是光譜發(fā)光效能?？紤]到積分球裝置是設(shè)計(jì)為大功率LED模塊的光通量測(cè)試，被測(cè)光源、標(biāo)準(zhǔn)光源與輔助光源均選擇有類似光譜分布的LED模塊。在本項(xiàng)測(cè)試中，選擇測(cè)量一個(gè)白光LED模塊以計(jì)算得到的修正系數(shù)約為1.01。

1.2.4 自吸收校正系數(shù)

若被測(cè)光源與標(biāo)準(zhǔn)光源的類型和尺寸有差異，則積分球須考慮自吸收校正。在本裝置中，被測(cè)光源、標(biāo)準(zhǔn)光源和輔助光源在發(fā)光光譜、光通量及發(fā)光強(qiáng)度分布曲線上相似，且選擇經(jīng)江蘇省計(jì)量院校準(zhǔn)后，系列量值穩(wěn)定的大功率LED模塊做為量值傳遞光源，因此自吸校正系數(shù)可忽略。

1.2.5 光度計(jì)的位置修正

在傳統(tǒng)的4π結(jié)構(gòu)積分球的光通量測(cè)試中(如圖1所示)，光源與光度探頭在同一平面內(nèi)成90°放置，以此測(cè)試的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在同平面內(nèi)的0°～90°間，每10°變換光度探頭的位置，對(duì)一可穩(wěn)定發(fā)白光的LED模塊做光通量的測(cè)試，光度計(jì)的位置與光通量變化的關(guān)系如圖7所示。

圖7 光度計(jì)位置與光通量變化的關(guān)系Fig.7 Relationship with the flux changes and photometer position

如圖7可見(jiàn)，在光度計(jì)與光源在同一平面的夾角成75°～90°間，其光通量變化最接近0，在測(cè)試結(jié)果中可忽略?？紤]到光度計(jì)在積分球裝置上的安裝便利，光度計(jì)的位置選擇在積分球側(cè)面，與光源支架頭成75°偏上的夾角處。

2 測(cè)試方法

2.1 測(cè)試系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖(如圖8所示)

圖8 測(cè)試系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Work structure of the test system

2.2 測(cè)試步驟示意圖(如圖9所示)

圖9 測(cè)試步驟示意圖Fig.9 Schematic test procedure

2.3 測(cè)試部分

2.3.1 儀器與樣品

儀器：經(jīng)過(guò)計(jì)量的直流穩(wěn)流穩(wěn)壓源、積分球裝置、光譜測(cè)試系統(tǒng)、智能電量測(cè)量?jī)x。

待測(cè)光源樣品：6個(gè)不同廠家的1W白光LED模塊，標(biāo)準(zhǔn)光源：3個(gè)1W白光的光通量標(biāo)準(zhǔn)LED燈珠，輔助燈：1W白光LED燈珠。

2.3.2 系統(tǒng)光通量定標(biāo)

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)LED燈珠的光通量值為Φstd，依次將標(biāo)準(zhǔn)光源在積分球裝置內(nèi)進(jìn)行光通量測(cè)試后，取3個(gè)標(biāo)樣的光通量平均值Φave，系統(tǒng)光通量的示值誤差可表示為

(8)

其中Φstd取最大值。

2.3.3 系統(tǒng)光通量測(cè)量不確定度分析

LED光通量測(cè)量中，不確定度的主要來(lái)源有：由重復(fù)性測(cè)量引起(u1)、由測(cè)量?jī)x器引起(u2)、由光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的量值引起(u3)[7]?；诖?，系統(tǒng)光通量測(cè)量不確定度分量如表1所示。

由于以上3個(gè)分量互不相關(guān)，因此合成的不確定度為

(9)

取k=2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度為

(10)

因此，系統(tǒng)光通量的測(cè)量取值范圍為 [-1.1%，1.1%]。

2.3.4 樣品測(cè)試

將6個(gè)LED樣品分別裝在光源支架上(散熱面積相同)，在350mA電流下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試步驟及相關(guān)試驗(yàn)條件的要求參照GB/T 24824標(biāo)準(zhǔn)，其中LED工作的熱系數(shù)(結(jié)溫、K系數(shù)、熱阻)的測(cè)量方法基于文獻(xiàn)[2]的推薦。測(cè)試/計(jì)算測(cè)試樣品在穩(wěn)定的工作溫度下的光通輸出的衰減比例，結(jié)果如表2所示。

表2 樣品在熱穩(wěn)定溫度下的光衰Table 2 Light fades sample at thermal stability temperature

3 結(jié)論

由于LED模塊光通量受其工作溫度的影響，因此在LED模塊應(yīng)用于照明燈具時(shí)，照明燈具的設(shè)計(jì)人員需準(zhǔn)確知道其在已知的散熱面積和穩(wěn)定的工作溫度下的光通量，以用于燈具的設(shè)計(jì)。本文針對(duì)傳統(tǒng)的積分球系統(tǒng)在測(cè)量大功率LED模塊光通量的過(guò)程中，在系統(tǒng)裝置和測(cè)試方法中出現(xiàn)的爭(zhēng)議，做了系統(tǒng)性研究，提出了一個(gè)新的積分球系統(tǒng)測(cè)量裝置模型，給出了測(cè)試方法，對(duì)其測(cè)量原理、自吸收校正、系統(tǒng)的光通量定標(biāo)、不確定度分析以及相關(guān)測(cè)試方法進(jìn)行了研究和探討。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證、修正了裝置的準(zhǔn)確性，對(duì)樣品做了測(cè)試，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，積分球裝置便于改造，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)適用于照明設(shè)計(jì)的需求，為大功率LED模塊的光通量測(cè)量提供了新的、經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。

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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

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金補(bǔ)助資金項(xiàng)目(13C26243202133)

TM923

A

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