新型LED光通量测试系统及其误差分析[2]

　　3实验测试及误差分析

　　为了验证新型光通量测试系统的可行性，测试两组共8颗大功率LED：

　　第一组：编号1-4，绿光LED,制造商：Cree。第一组LED相对光谱功率分布相似，峰值波长都在520nm左右的，配光为100-130°朗伯体光源。

　　第二组：编号5-8，蓝黄光LED,制造商：宁波升谱光电半导体有限公司。第二组LED光谱功率分布相似的，配光差异较大。

　　分别用新型光通量测试仪CPC-01和远方GO-R3000分布光度计测试各个型号LED光通量。利用CPC-01测试时，将测试仪主机放在水平且稳固的桌面上，开机并校零以后，将LED放置在夹具的中心，LED和散热器接触面涂导热胶，然后将LED夹具放入LED样品室内。调节精密直流电源给LED供电，电流恒定在350mA。调节CPC-01到合适的档位，稳定30min后记录LED工作电压，从显示窗读取示数C，示数C和硅光电池响应成正比。

　　考虑到误差的两个来源：光谱失配误差和空间不均匀性误差，用分布光度计分别测试LED裸灯和LED加CPC反光碗整体的光通量，这样就可以将空间失配误差和光谱失配误差两个因素分离。测试使用远方GO-R3000分布光度计(近场，第2探测器)，测试中LED采用和CPC-01测试时使用的同一个散热器，电源为精密恒流源，测试电流恒为350mA,稳定30min后记录示数和电压，开始分布光度计测量，整个测试过程约90分钟。测试中垂直角γ角以0.5°为间隔取0到180°，水平旋转角C角以5°为间隔取0到355°带散热器的LED光通量记为GL，如图5(a)。带有散热器的LED和CPC聚集器作为一个整体，即经过CPC反射后出射的光通量记为GC，如图5(b)。

　　利用分布光度计和CPC-01测得的数据记录如下表所示，去除了功率影响和测量电路中电阻对电压影响：

　　GL/C为分布光度计测得的LED裸灯光通量和CPC示数比值;GL/GC为分布光度计测得的 LED裸灯光通量和分布光度计测得的LED加CPC反光碗光通量的比值，表征空间不均匀性误差;GL/C为分布光度计测得的LED加CPC反光碗光通量和CPC示数的比值，表征新型光通量测试仪的探头的光谱失配误差;

　　新型光谱仪实际测得光通量φC为:

　　φ=KC*C

　　其中，KC为光通系数，C为CPC-01示数。理论上系数Kc应该是一个定值，等于GL/C。但是由于绿光和白光LED的GL/C平均值相差太大，两组LED分别取不同的KC 值。

　　由上表可以看出，绿光和白光两组LED的GL/C平均值不同，绿光为4.9，白光为5.4。由于两组LED的GL/Gc基本一致，绿光为1.24，白光为1.21，故两组LED的GL/C的差异主要来源于Gc/C，即硅光探头光谱失配是造成误差的主要原因。

　　取绿光和白光LED的光通量系数Kc分别用4.9和5.4，得到新型光通量仪CPC-01相对于分布光度计的相对误差在±3.5%范围内。说明只要使用光谱功率分布近似的标准灯，新型光通量测试仪CPC-01可以达到较高的精度。

3.1 光谱失配误差

　　为了分析探测器的光谱失配造成的误差，利用直径3m的积分球和远方PMS-80紫外-可见-近红外光谱分析系统测试各个LED相对光谱功率分布，将LED的相对光谱功率分布，分布光度计探测器和CPC-01探测器灵敏度差异曲线绘制在同一坐标图中进行比较，如图6、7所示：

　　其中，分布光度计探测器和CPC-01探测器灵敏度差异定义为：

　　其中，RG为分布光度计探头相对光谱响应，RC为CPC-01硅光探头相对光谱响应。

　　图6中，在绿光LED峰值波长附近△R小于0，即分布光度计灵敏度小于CPC探头，故第一组LED的Gc/C值(分布光度计测得LED+CPC反光碗光通量和CPC示数的比值)应该偏小，实测值为3.938。

　　图7中，白光LED的光谱功率分布较广，在蓝光峰值区和650nm波段分布光度计灵敏度大于CPC-01探头， 故其第二组LED的Gc/C值高于绿光LED，实测值为4.489，符合理论分析。

　　如果已知被测灯和标准灯光谱功率分布，可以通过以下公式消除光谱失配误差：

　　其中，φ、φo 分别为被测灯和标准灯的光通量，i、io分别为被测灯和标准灯的光电流信号。α为修正系数:

　　上式中，S(λ)、So(λ)分别为被测灯和标准灯的光谱功率分布spectral power distribution，V(λ)为明视觉光谱光视效率the spectral luminous efficiency function，D(λ)为探测器(包括硅光电池、余弦修正片、V(λ)修正片、衰减片)相对光谱响应(relative spectral responsivity )。

　　为了衡量CPC内壁反射率造成的空间不均匀性误差，利用tracepro模拟CPC不同反射率时CPC 入射口处出射的光通量和光源光通量之间的比值 φout/φin，CPC参数设置同2.1。

　　利用分布光度计测得10颗不同型号LED(如表2所示)的空间光强分布数据，导入Tracepro中模拟LED光源。CPC内壁反射率分别设为70%、80%、90%、100%， 记录10颗CPC入射口处出射的光通量和光源光通量之间的比值φout/φin。

　　CPC不同反射率时10颗LED的φout/φin相对差异如图8所示，以1号LED为准归一化。可以看出，随着CPC内壁反射率的增加，10颗LED的φout/φin值的相对差异减小;配光差异越大，CPC内壁反射率不同造成的相对差异越大，例如近似朗伯体的1号和侧边发光的6号;对于窄光束角的LED，CPC内壁反射率的改变对其影响不大，例如7号，当CPC内壁区不同反射率时，φout/φin值没有明显改变。CPC内壁反射率为100%时各个LED之间的相对差异是由于LED向后发射的部分光线没有进入CPC反光碗内造成的。综上所述，提高CPC内壁的反射率可以减小被测灯和标准灯之间的空间光强分布差异造成的误差。

　　4 讨论

　　结合了CPC和硅光二极管的新型LED光通量测试仪CPC-01具有体积小，测试快速，可以达到较高精度，可以用于自动化生产线。

　　通过和分布光度计的对比，其误差主要来源于光谱失配误差和空间分布不均匀两个方面，其中光谱失配是造成误差的主要因素。通过选用光谱分布相似的标准灯或者结合光谱功率分布数据可以消除光谱失配误差。

　　CPC内壁的反射率的提高可以减小不同配光LED之间的空间分布不均匀性误差。

　　本文没有考虑CPC内壁涂层光谱反射非中性造成的误差，假设CPC内壁的银涂层对各个波长光线的反射率是无差别的。

　　本文所述测试仪只对向前发光的LED有效。

　　本文进行试验的LED型号和数量有限，为了更好地验证该仪器的通用性，需要对于其余单色光(红、蓝、黄光等)和不同封装，不同型号的大量LED进行验证。

　　5 结论

　　本文介绍了采用CPC的新型光通量测试仪CPC-01，对4颗光谱功率分布相似的绿光LED和4颗光谱功率分布相似的(蓝-黄)白光LED，共8颗空间配光各异的LED进行了测量。结合分布光度计对采用CPC-01测得的数据进行了误差分析。光通量测试误差主要来自两个方面：光谱失配误差和空间不均匀性误差。其中，光谱失配误差是主要因素。光谱功率分布相似的一组LED之间的相对误差不超过±3.5%。CPC内壁反射率的提高可以有效减小空间不均匀性误差。

编辑：Cedar