莊慶瑞

(廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門 361000)

LED光度測量中關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)燈選擇的研究

莊慶瑞

(廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門 361000)

本文針對(duì)LED光度測量中無法備齊各式各樣與待測LED光譜分布相同的LED標(biāo)準(zhǔn)管的實(shí)際問題，從光譜輻射度計(jì)和光度計(jì)的角度，討論其校準(zhǔn)原理，對(duì)比分析了不同類型標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)校準(zhǔn)和測量結(jié)果的影響及其原因，并提出選擇標(biāo)準(zhǔn)燈的方案。

LED；標(biāo)準(zhǔn)燈；光度測量；校準(zhǔn)

引言

LED光源以其節(jié)能環(huán)保、光色可調(diào)、壽命長、可靠性好等特點(diǎn)，在照明和顯示領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用[1]，其單色性特點(diǎn)已成為農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等特殊領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2-3]。照度、發(fā)光強(qiáng)度、光通量、亮度是基本的幾個(gè)光度學(xué)參數(shù)，它們的測量都是基于特定面積單元上光信號(hào)的采集。例如使用積分球測量光通量的儀器，主要由積分球以及安裝在球壁內(nèi)表面的光度計(jì)或光譜輻射度計(jì)構(gòu)成[4]。由于測量系統(tǒng)體積大而笨重，且?guī)Ч饫w的儀器在運(yùn)輸后必須重新校準(zhǔn)以確保其準(zhǔn)確性，送到計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)不方便，因此大多采用可輕便攜帶的標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行量值溯源(校準(zhǔn))。那么，在LED測量中如何選擇標(biāo)準(zhǔn)燈？傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)燈如鎢絲燈，具有連續(xù)光譜且大致各自同性，功率從10 W到1 000 W，鎢絲燈的光通量校準(zhǔn)不確定度為1.5%左右。LED因其空間分布顯著不均勻、光譜不連續(xù)等特點(diǎn)，對(duì)測量結(jié)果有較大影響，因此出現(xiàn)了LED標(biāo)準(zhǔn)管[5-7]。目前常采用20 mA的白光和單色光(紅、綠、藍(lán))LED標(biāo)準(zhǔn)管，中國計(jì)量科學(xué)研究院給出的光通量校準(zhǔn)不確定度LED標(biāo)準(zhǔn)管為3%左右。光通量測量中與標(biāo)準(zhǔn)燈有關(guān)的誤差來源主要有光譜分布、空間分布、外形尺寸。其中與探頭直接相關(guān)的因素是光譜分布，本文以光通量為例，針對(duì)不同類型探頭(光譜輻射度計(jì)和光度計(jì))，從校準(zhǔn)原理出發(fā)，探討LED測量中標(biāo)準(zhǔn)燈的選擇。

1 光譜輻射度計(jì)

校準(zhǔn)使用光譜輻射度計(jì)的積分球光通量測量儀器需使用已知光譜輻射通量的標(biāo)準(zhǔn)燈。大部分儀器的軟件都帶有校準(zhǔn)功能，校準(zhǔn)時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻射通量數(shù)據(jù)導(dǎo)入，軟件通過將標(biāo)準(zhǔn)燈在各個(gè)波長的輻射通量與光譜輻射度計(jì)采集到的光信號(hào)值相比，從而得到一組對(duì)應(yīng)波長的校準(zhǔn)系數(shù)(也稱為光譜響應(yīng)率)。式(1)是測量待測樣品光通量的計(jì)算公式。

(1)

φs(λ)=C(λ)×Is(λ)

(2)

(3)

式中Km=683 lm/W，C(λ)為波長λ處的輻射通量的校準(zhǔn)系數(shù)；φ標(biāo)(λ)、I標(biāo)(λ)為標(biāo)準(zhǔn)燈在波長λ處的輻射通量(一般由校準(zhǔn)證書給出)和光信號(hào)值(由儀器測得)；φs(λ)、Is(λ)為波長λ處待測樣品的輻射通量和光信號(hào)值；φs為待測樣品的光通量；V(λ)為光視效率函數(shù)；Δλ為波長間隔。

該方法實(shí)際上是對(duì)每個(gè)波長的輻射通量(即光譜輻射通量)進(jìn)行校準(zhǔn)，計(jì)算光通量時(shí)采用精確的光視效率函數(shù)V(λ)，不存在V(λ)匹配誤差，并且可同時(shí)用于計(jì)算總輻射通量、顏色(如三刺激值、相關(guān)色溫)和顯色指數(shù)等，因而被廣泛采用。

CIE 127要求測量LED時(shí)應(yīng)使用全光譜輻射通量標(biāo)準(zhǔn)燈(如鎢絲燈)對(duì)該儀器系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)也提到當(dāng)采用不同顏色LED標(biāo)準(zhǔn)管對(duì)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)時(shí)，可能產(chǎn)生不一致。因此，目前也存在一種做法：測量白光和單色光LED時(shí)，分別采用白光和對(duì)應(yīng)的單色光LED標(biāo)準(zhǔn)管作為標(biāo)準(zhǔn)燈，或者都采用白光LED標(biāo)準(zhǔn)管作為標(biāo)準(zhǔn)燈。以下我們將比較不同類型標(biāo)準(zhǔn)燈的校準(zhǔn)結(jié)果。

如圖1所示，實(shí)線分別是正向工作電流20 mA的白光、紅光、綠光、藍(lán)光LED標(biāo)準(zhǔn)管的光譜輻射通量曲線；虛線A、B、C、D、E為利用這四個(gè)LED標(biāo)準(zhǔn)管進(jìn)行校準(zhǔn)后分別得到的光譜校準(zhǔn)系數(shù)曲線，此外虛線E為利用10 W鹵鎢燈進(jìn)行校準(zhǔn)后得到的光譜校準(zhǔn)系數(shù)曲線?？梢姡{(lán)光在440 nm～520 nm，綠光在430 nm～575 nm，紅光在600 nm～570 nm波段內(nèi)的光譜校準(zhǔn)曲線與白光LED匹配得較好。而在其它波段，則出現(xiàn)了較大波動(dòng)和偏離，甚至嚴(yán)重偏離(如藍(lán)光520 nm～550 nm)。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻射通量曲線發(fā)現(xiàn)，校準(zhǔn)系數(shù)匹配較好的波段，對(duì)應(yīng)單色光的輻射通量較大，而校準(zhǔn)系數(shù)偏離較大的波段，對(duì)應(yīng)單色光的輻射通量很小。可見，輻射通量小，光譜儀采集的信號(hào)弱，信噪比低，因而測量誤差大，導(dǎo)致校準(zhǔn)系數(shù)不準(zhǔn)確；反之，輻射通量大，信噪比高(一般大于10∶1，對(duì)應(yīng)光譜范圍也稱為標(biāo)準(zhǔn)燈的有效波長)，校準(zhǔn)系數(shù)也更準(zhǔn)確。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)燈光譜輻射通量和校準(zhǔn)系數(shù)曲線Fig.1 Curve:spectral radiant flux and calibration coefficient of standard lamps

圖1中白光LED標(biāo)準(zhǔn)管校準(zhǔn)系數(shù)曲線和鹵鎢燈相比，在380 nm～440 nm波段存在較大偏離，在720 nm～780 nm有較大波動(dòng)(毛刺)。對(duì)比二者的光譜輻射通量曲線(圖2)我們可以發(fā)現(xiàn)，常見的10 W鹵鎢燈在可見光范圍內(nèi)具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20 mA白光LED的輻射通量，良好的信噪比也體現(xiàn)在校準(zhǔn)系數(shù)曲線的平滑無毛刺。白光LED輻射通量很低是白光LED校準(zhǔn)系數(shù)曲線在上述波段產(chǎn)生偏離和較大波動(dòng)的主要原因。

圖2 白光LED標(biāo)準(zhǔn)燈和鹵鎢燈光譜輻射通量和校準(zhǔn)系數(shù)曲線Fig.2 Curve:spectral radiant flux and calibation coefficient of the standard white LED and the halogen tungsten lamp

如圖3所示，將圖1中從紅、綠、藍(lán)各單色光光譜輻射通量較大、信噪比良好的波段放大后發(fā)現(xiàn)，各單色光的校準(zhǔn)系數(shù)曲線和鹵鎢燈、白光LED匹配得較好(誤差不超過3%)的同時(shí)，其變化趨勢(shì)也基本一致。同時(shí)，圖3各波段中鹵鎢燈校準(zhǔn)系數(shù)最大，白光LED最小，各單色光LED居中，對(duì)照?qǐng)D1和圖2，對(duì)應(yīng)波段鹵鎢燈光譜輻射通量最大，白光LED最小，各單色光LED居中，即校準(zhǔn)系數(shù)變化與標(biāo)準(zhǔn)燈光譜輻射通量大小有關(guān)，可以認(rèn)為，使用不同標(biāo)準(zhǔn)燈得到的校準(zhǔn)系數(shù)所存在的誤差主要來源于儀器的線性誤差。

圖3 單色光LED校準(zhǔn)系數(shù)曲線局部放大圖Fig.3 Partial magnification:calibration coefficient curves of single-colour LEDs

由上述分析可知，LED光譜存在不連續(xù)性，決定了其在某些波長的發(fā)光很弱甚至不發(fā)光，且目前使用的LED標(biāo)準(zhǔn)管由于功率較小，即使是白光LED也無法在可見光各波長范圍內(nèi)具有足夠大的輻射通量以獲得滿意的信噪比，從而對(duì)全可見光波段進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于特定顏色的待測LED，在儀器線性度不佳的情況下，可采用與其功率相當(dāng)且有效波長能夠覆蓋待測LED的LED標(biāo)準(zhǔn)管(如圖4所示)作為標(biāo)準(zhǔn)燈，這樣能夠減小由于儀器線性誤差產(chǎn)生的影響(如表1所示)。

圖4 待測LED及所選用LED標(biāo)準(zhǔn)管光譜示例Fig.4 Examples for spectrum of a tested LED and a corresponding standard LED

對(duì)于白光LED的測量，往往難以找到光譜形狀相似的LED標(biāo)準(zhǔn)管，而鹵鎢燈輻射通量往往比LED高出1～2個(gè)量級(jí)，為了減小線性誤差，可準(zhǔn)備幾支不同顏色LED標(biāo)準(zhǔn)管，它們的有效波長疊加后應(yīng)能覆蓋整個(gè)可見光波段，對(duì)它們分別進(jìn)行校準(zhǔn)后，截取各有效波長的校準(zhǔn)系數(shù)曲線并重新連接，從而得到全可見光波段的校準(zhǔn)系數(shù)曲線?？紤]到目前LED標(biāo)準(zhǔn)管的校準(zhǔn)不確定度(3%)大于鎢絲燈(1.5%)，對(duì)于線性響應(yīng)良好的儀器，也可直接使用鎢絲燈作為標(biāo)準(zhǔn)燈。

2 光度計(jì)

光度計(jì)具有測量速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此也被廣泛使用。校準(zhǔn)使用光度計(jì)的積分球光通量測量儀器需使用光通量標(biāo)準(zhǔn)燈。將待測光源和標(biāo)準(zhǔn)燈先后放在積分球中相同位置測量，根據(jù)式(4)計(jì)算待測光源光通量：

(4)

φs=C×Is

(5)

式中，C為光通量的校準(zhǔn)系數(shù)；φ標(biāo)、I標(biāo)分別為標(biāo)準(zhǔn)燈的光通量標(biāo)準(zhǔn)值(由校準(zhǔn)證書給出)和光電信號(hào)值(由儀器測得)；φs、Is分別為待測光源的光通量和光信號(hào)值。

圖5是一款光度計(jì)的光譜響應(yīng)曲線，可見在380 nm～500 nm的匹配誤差比其它波段大，表2是使用該光度計(jì)測量鹵鎢燈、白光LED和藍(lán)光LED的結(jié)果。可見，與傳統(tǒng)鎢絲燈相比，LED光源，特別是對(duì)單色光LED而言，如果其發(fā)光波長恰好處于

圖5 光度計(jì)光譜響應(yīng)Fig.5 Curve：spectral response of the photometer

光度計(jì)V(λ)匹配誤差較大的位置，測量誤差將被放大，由于因此光度計(jì)校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)選擇與待測LED具有相似光譜分布的LED標(biāo)準(zhǔn)燈，而校準(zhǔn)系數(shù)也僅適用該光譜范圍。實(shí)際測量時(shí)要備齊各種顏色各種光譜形狀的LED標(biāo)準(zhǔn)燈非常困難，因此需將V(λ)匹配誤差納入不確定度評(píng)估因素，且應(yīng)該針對(duì)待測LED的顏色評(píng)估對(duì)應(yīng)波段的V(λ)匹配誤差。

表2 使用光度計(jì)的積分球測量不用光源光通量Table 2 Luminous flux rneasurement results of different types of lamps using the integrating sphere

3 結(jié)束語

從光譜輻射度計(jì)和光度計(jì)的角度出發(fā)討論LED光度測量中的影響因素，采用不同光通量標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行校準(zhǔn)和測試，分析其校準(zhǔn)原理和校準(zhǔn)系數(shù)的誤差來源。就目前儀器和LED標(biāo)準(zhǔn)燈的實(shí)際情況提出了使用不同類型探頭進(jìn)行LED測量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)燈的選擇方案。

[1] 竇林平. 2016中國LED照明行業(yè)趨勢(shì)展望[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2016,27(1):I0007-I0009.

[2] 鄭炳松. LED光源在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用分析[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2016,27(3):131-137.

[3] 許巧云. LED植物照明技術(shù)及產(chǎn)業(yè)狀況分析[J].光源與照明, 2016(2):33-35.

[4] The Measurement of Luminous Flux:CIE 84:1989.

[5] 呂正,呂亮,樊其明. 著眼于國際比對(duì)的LED國家光學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立[J]. 中國照明電器, 2008(1):30-34.

[6] 呂正,徐英瑩. LED計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行測試標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別[J]. 中國照明電器, 2008(6):27-30.

[7] 劉慧. 照明計(jì)量與測試技術(shù)的新進(jìn)展[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2016,27(2).

Study on the Selection of Standard Lamps in LED Photometric Measurements

ZHUANG Qingrui

(XiamenProductsQualitySupervision&InspectionInstitute，Xiamen361000,China)

For the practical situation that it is almost impossible to get all kinds of standard LEDs with the same spectrum as test LEDs in photometric measurements, we discuss the factors associated with spectroradiometer and photometer. The influence of different types of standard lamps on the calibration and measurement results are analyzed and compared, and the scheme of selecting standard lamps is proposed.

LED; standard lamp; photometric measurement; calibration

工業(yè)和信息化部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項(xiàng)目《室內(nèi)半導(dǎo)體照明器件、電光源產(chǎn)品與檢測技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用》(工信部財(cái)[2013]472號(hào)),質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)《人工照明光源與自然陽光光生物安全性的研究》(201410140)，國家國際科技合作專項(xiàng)《LED照明現(xiàn)場檢測方法研究及評(píng)價(jià)》(S2015GR1002)，港澳臺(tái)科技合作專項(xiàng)《LED燈具加速壽命試驗(yàn)方法與可靠性研究》(2015DFT10120) 通信作者：莊慶瑞，E-mail：qingrui_zhuang@163.com

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.009