LED 2π空间光通量测量方法及不确定度分析

来 磊，黄必勇，尹德金，刘 薇

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

0 引 言

随着半导体发光二级管（LED）技术的不断突破，加上LED具有耗电量低、高纯度、多色彩、无污染、无辐射、快响应、抗冲击、定光束、色域宽、低热量等诸多优势，使其被看做21世纪的新型光源，满足人们对安全、节能、环保、舒适、美观等多方面的要求。对LED及在整个产业链上涉及的检测仪器目前存在光学参数测试再现性差、测量不确定度大、不同测试装置之间的测试结果一致性差等现象。究其原因，主要是缺乏LED光学参数测试方法和尚无与之对应的计量装置[1]。本文针对LED光通量测试方法及不确定度计算进行探讨。光通量是LED发光特性中最重要的参数之一，由于LED自身结构及发光机理与传统光源大不相同，其在4π空间发光强度分布是不均匀的，因此LED光通量的测量必须考虑发光不均匀的因素。LED的总光通量需要采用积分球或分布光度计进行测量[2]。图1展示了一种CIE推荐采用的测量LED总光通量的空间几何位置。图1（a）所示的空间几何位置适用于具有窄光束轮廓或者广角发射和向后发射类型的LED。这种空间几何位置能够比放置在球壁上提供更好的空间均一性和响应率，并且不易受到LED不同空间光强分布的影响[3-4]。此类LED测量中，被测LED被嵌入球壁进行测量，在测量总光通量时这种方法是不合理的，因为向后发射的光通量损失掉了。图1（b）这种几何位置的优点在于待测光源能够很容易地被嵌在球壁上。需要注意的是5mm环氧树脂封装LED通常有大量的后向发射光，因此应采用图1（a）中的空间几何位置。高能LED通常有较大的制冷器并且没有向后发射光，因此可以采用图1（b）中的空间几何位置，将LED发光端嵌入球壁中，而制冷器放置在球外[5]。

无论采用哪种空间几何位置，建议LED测量中采用直径为20～50 cm的积分球。积分球越大，空间分布不均匀性造成的误差越小（原因在于积分球内部采用的遮光板相对面积变小），而自吸收的灵敏度越低，但是测量到信号的强度同样会降低。本文采用的是直径为50 cm积分球，如图2所示的光谱光度计测量LED向前方光通量（2π空间光通量）。

1 测量方法

将LED嵌在积分球的一壁来测量其向前2π空间光通量。可控温LED的支架阻挡了其向后方向的辐射，对于这种LED，总光通量和向前方光通量相同的情况。本文介绍2π空间光谱通量及总光通量的测试方法，以下步骤适用于LED嵌在积分球一壁的情况[6]。

图1 LED总光通量测量推荐空间几何位置

图2 一种采用光谱光度计测量2π空间光通量的几何条件

（1）将可溯源至NIST(美国国家标准与技术研究院)的标准灯放置在相对1 cm2小孔的正确位置上，可以准确得到小孔位置的光谱辐照度。精确施加光源所需的电流，预热稳定一段时间后，对发光强度和波长进行20次测量。

（2）关掉标准灯，打开安装在球内的辅助灯，预热和稳定一段时间后，对光强和波长进行20次测量。

（3）将标准灯和精确小孔移开，把被测LED放在积分球入口处。保持辅助灯的工作状态，对光强和波长进行20次测量。

（4）关掉辅助灯，精确施加LED工作所需的电流，预热稳定后，对光强和波长进行20次测量。

（5）将LED的支架旋转90°，对光强和波长进行20次测量。

（6）在 180°和 270°重复步骤（3）。

在第（2）、（3）条中采用的辅助灯用于补偿积分球和LED相互作用引入的误差。在积分球内部或者相对于光线入射口的物体都会产生反射光。并且由于球内部都是多重反射，积分球内部物体对测试结果的影响与物体本身的大小不成比例。所以要获得准确的测量结果，对积分球和LED相互作用引入的误差进行补偿非常重要[7]。

2 不确定度分析

2.1 LED总光通量测试数据

采用可溯源至NIST的标准灯按照以上方法进行验证。表1是本实验室提供的LED总光通量测试数据。

测量结果表明旋转LED对于测试带来的影响并不大，这反映出LED本身的强度有可能发生缓慢的变化。

2.2 LED总光通量不确定度

数学模型

式中：Km=683 lm/W

详细的计算过程本文不再赘述[8]，将计算结果列于表2。

从测量结果中看出，周期间存在细微漂移，这表明被测对象可能存在细微渐进变化。LED支架的旋转表明了其机械位置的变化，而周期间的变化表明了系统的重复性。在不确定度分析结果中可以发现，对系统测量不确定度带来影响的主要因素包括：可溯源至NIST的发光标准本身的不确定度、发光标准转换到工作标准的环节和测量系统的波长准确性等。对于测量系统，一种常用的验证方法是采用可溯源的已校准LED提供绝对刻度，来验证实验装置的准确性。

表1 重复6次得到的总光通量（TFL）结果

表2 重复6次得到的TFL不确定度

3 结束语

采用科学的测量方法和适当的测量程序可以降低不确定度。更重要的是，不确定度可以被量化和计算。测量步骤的变化可能会影响到不确定度，特别是在步骤上不同方式溯源至上一级标准可能带来不同的不确定度。如果用NIST或NIM(中国计量科学研究院)提供的无后向发射光的标准LED，那么测量将变得较为简单，但是不确定度会相应增大。

[1]CIE127—2007 LED测量方法标准[S].国际照明学会，2007.

[2]吕正.NIST的LED光通量测量[J].中国照明电器，2006（5）：22-24.

[3]吕正.LED光通量测量中的自吸收效应及校正[J].照明工程学报，2006，17（2）：16-17，32.

[4]吕正.着眼于国际比对的LED国家光学计量标准的建立[J].中国照明电器，2008（1）：30-34.

[5]李文宜，张万路，袁川，等.测量LED总光通量的积分球装置中光源位置的探讨[J].复旦学报：自然科学版，2007（3）：356-359，365.

[6]周小丽，刘木清，钱勇，等.LED光通量测试系统的研究[J].光电子·激光，2008，19（6）：728-730.

[7]潘建根，沈海平，冯华君.光谱校正积分光度法测量蓝光LED 光通量[J].半导体学报，2006，27（5）：932-936.

[8]吴宝宁.LED光学参数测试方法研究[J].应用光学，2007，28（7）：513-516.