LED器件光强分布测试方法进展

孙浩杰+李梦远+庄杰+李柏承+张大伟+杨卫桥

摘要： 针对LED器件光强分布的测试方法，在传统光源配光曲线的测试原理的基础上，阐述了旋转法、多探测器法测试LED光强分布的方法。由于这些方法存在测试时间长、测量准确度低以及定标繁琐的缺陷，进而介绍了一种新型测试方法及装置，即通过CCD光度探测器接收光强度，经过CCD的光电转换功能将光强度信号转换为电信号，再通过成像系统软件便可得到整个半球面空间内壁的光强图。新的测试方法具有测试速度快、精度高、信息量丰富和直观性的显著优点。

关键词： 发光二极管（LED）； 配光曲线； 光强分布

中图分类号： TN 36文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.019

引言LED（发光二极管）作为最新型的第四代照明光源逐渐被应用于普通的照明领域，不同于传统照明光源，无论是LED的发光原理还是LED的发光特性，甚至包括其发光驱动特性以及光源结构，都有着显著的差别。由于LED的特殊性，对于LED光强分布的特性测试，需采取相应的测试方法和技术[12]。由于目前国内业界缺乏明确的LED发光强度标准，造成LED光强分布测试技术的滞后。现有的LED光强分布特性的测试，往往采用传统光源配光曲线的测试方法，将LED视为一个点光源，回避了LED光源特性测试方面存在的技术难题。该方法得到的结果并不能真正反映LED独特照明原理的发光特性。如何准确测量LED空间光强分布方法[3]以及获得LED空间光强分布三维图成为当今业界研究的重点课题。目前普遍使用的传统配光曲线[45]大多采用旋转的方法测试，能够准确得到在一个二维平面上光源的光强分布曲线。然而，要正确反映LED器件的发光强度的空间分布特性仅仅一个或几个平面的配光曲线图是不够的。本文着重介绍三种LED光强分布测试方法。其中旋转法是由传统配光曲线的原理扩展而来，现在已有厂家依照该原理生产能够测试LED空间光强分布曲线的仪器；多探测器法则是现在国内新的科研成果，可以实现LED光源光强分布的快速测试，其特点是测速快、精度高、信息量丰富，较旋转法更具时实性与直观性，同时还介绍一种国外新型的测试方法[6]。1三种方法研究进展及优缺点对比传统配光曲线测试一般可分为两种：一种是LED固定不动，接收光线的光度探测器围绕它旋转扫描；另外一种是光度探测器不动，LED围绕封装外壳的顶点作旋转扫描。图1是典型的配光曲线测试原理图，采用的是将光度探测器固定不动，令LED绕探测器旋转，随着LED的旋转，光度探测器即时接收其光强。由此，LED旋转180°之后可以得到整个平面上LED的光强度的分布、其准确度取决于探测器获取LED光强的频率以及探测器的接收灵敏度。

1.1旋转法（1）原理方法在旧式配光曲线测试方法的基础上，若是多增加一个轴旋转，就可以人为设定依次获得多个不同角度的配光曲线，再通过数据整合传入计算机，利用软件将其模拟化，就能形成一个空间三维的LED光强分布图像[7]。旋转法原理如图2所示。旋转法是在传统配光曲线测试方法基础上，增加了一个C轴，该C轴是LED光轴物理中心到探测器中心的连线。在测量时，C轴不旋转，V轴做180°的旋转，可获得一个平面LED配光曲线图。然后再旋转C轴一固定角度（测量者可自行制定该分度），再次固定C轴，旋转V轴，这样又可以获得另外一个不同角度平面上的配光曲线。经过多次测量（测量次数与制定C轴旋转分度大小有关）可得出整个空间中多个平面的配光曲线，再经过计算机整合，即可以得到完整的空间光强分布曲线。该方法是基于先测试平面的光强分布曲线，再设定一个旋转轴，并且通过360°的旋转，经多个角度多次测量来获得整个空间光强分布的目的。另外一种旋转法如图3所示，同样是通过设置两个旋转轴，得到多个不同角度平面的配光曲线图，整合成一个空间光强分布曲线。该方法是CIE（国际发光照明委员会）推荐的测试小功率发光器件的光强分布测试方法。

该方法中，发光器件安装在垂直轴线和水平轴线的交点处，因此可以设置两个方向旋转的转台，并使该转台的垂直轴线固定，水平轴线可以移动，探测器被固定在离发光器件一定距离的位置上。测试过程中，由电机驱动垂直轴旋转，光度探头测量发光器件在水平面上各方向的发光强度或照度值，由此可以获得发光器件在此平面上的发光强度或照度的分布曲线[8]。当一个平面测量完毕，由电机驱动水平轴使发光器件转过一个设定的角度，然后再测量当前平面上的发光强度或照度值并获得该平面的分布曲线。因此，随着发光器件水平轴的间歇运动和垂直轴往复旋转，最终可以实现发光器件在各个方向上的发光强度或照度的分布特性的测量。（2）旋转测量方法优缺点旋转法是现今使用最广泛的一种测量LED光强空间分布的方法，其使用操作方便，测量准确性高，并且测量仪器容易制造，定标简单，仪器成本比较低廉。但其有一个不可忽视的缺点是测试时间长，在传统配光曲线测试时，为了在180°范围内，需要设置许多测试点，测试时间需2～3 min。扩展到旋转法测试时，由于需要测量多个平面的光强分布，所以需要更多测试点，测试时间更长。若想要得到更精确的光强分布图，就要将测试间隔分度定的更小，导致测量次数更多，使测量难以完成。测量时间过长也会导致测得的光强分布的各个强度值并不是在同一个时间点上得到。由于LED输出通常随着时间变化不能保证稳定，尤其如果存在温度以及输入功率波动，将导致其输出光强变化较大，所得到的光强分布曲线可能存在较大误差。

1.2多探测器快速法（1）原理方法为了克服旋转法测试时间过长的缺点，任豪等研究了一种带有多个探测器的LED光强分布测试仪[1]，其原理如图4所示。

该仪器将光源固定于样品座上，测试环境在一个密封黑箱中，采用多路光度探测单元组成（平均分布在同一圆周）的半圆形180°的整合探测器，同时在固定LED光源的底座上增加了一个旋转机构，可以进行多路并行的测试，通过固定光源架的转动角度α（在水平面XY平面上，待测样品相对水平线X所旋转的角度），依次转动待测LED并测试不同转角的配光曲线，组合可以得到i条配光曲线（i=180/α），再进行数据的分析处理，可以得到其三维光强空间分布的立体图和半强度角（发光强度等于最大发光强度一半的位置构成的角度为半强度角）。所得到的三维立体图可以很好地反映LED空间分布的特性[9]。多探测器的测量方法采用多个光度探测器同步测试，以取代传统的一个光路探测器多路测试的旋转法，其可在0.2 s内一次性获得LED光源的二维光强空间分布（配光曲线），并且可以通过增加旋转机构，固定探测器旋转待测光源，依次测量并获得不同旋转角度的二维空间光强分布曲线，进而获得三维空间光强分布曲线。（2）多探测器测量方法的优缺点多探测器测量方法实用、准确、快速，解决了旋转测试时间长、效率低两大难题，提高了测试效率，减少人为误差。但是由于是采用多个光度探测器组合成一个整体的180°半圆形探测器，其制作成本比较高，并且若是其中有一个探测器失效或是定标错误，将会影响整体测量精度，故在测试准备和定标方面比较繁琐。

1.3基于CCD的测试方法该方法利用CCD图像传感器来做采光探测器，以很高的准确度获取整个LED光球面的光强成像图，再通过计算机软件分析，最终可以得到更精确的LED三维光强分布图。

（1）基本原理与结构该测试方法结构如图5所示。待测的LED发光器件被固定在半圆球室的中心处，在半球形测量腔的内表面涂上一层漫反射涂料，在靠近半球中心处装了一个凸面的反射镜，在反射镜和LED间安装一隔板用以隔离LED直射的光线，CCD成像光度计安置在反射镜的正上方[10]。测量时，LED灯在半球面内发射出光，通过半球壁的漫反射涂料均匀反射于半球内表面上。 如图6所示，此时半球腔内壁不同位置所反射的LED光强强度不同。由于LED和凸面反射镜之间存在挡光板的作用，凸面反射镜不会直接受到LED光线的影响。此时，CCD可以通过发射镜接收到整个半球面内壁的图像，如图7所示。

CCD光度探测器可以接收到凸面反射镜上所反射的整个半球体内壁的图像。由于半球面内壁不同位置上的光强强度不同，则CCD接收到半球体内壁表面各处的光信号也有所不同。通过CCD的光电转换功能将所接收到的光信号转为电信号导入计算机中，由计算机软件进行分析形成模拟的凸反射镜成像的二维图形，再通过计算机软件，进一步对该二维图形每一坐标所对应的光强度以及二维图坐标系每一坐标所对应的半球面内表面具体位置进行分析，以及通过对光强度的准确定标，就可以获得LED在整个空间内精确的空间光强分布图。（2）测试结果模拟图及分析通过CCD光度探测器接收到的光强度，以及经过CCD的光电转换功能将光强度信号转换为电信号，再通过成像系统软件可以得到呈现在凸面反射镜上的整个半球面空间内壁的光强图，该图是一个二维的带有坐标系的成像图。该模拟结果如图8所示。这种成像示意图类似于雷达获取的图像，一个圆形的坐标对应着整个半球形内壁，其图像在不同坐标下有不同的颜色，通过准确的定标，可以了解到每种颜色表示的光强度值。其定标可以参考CIE（国际发光照明委员会）所制定的颜色与光强度对比表，如图9所示。由此可知，采用这一种新型光强分布测试方法，所得到的空间光强分布曲线很直观，具有很强的立体感，可以很好地反映LED发光器件的三维空间光强分布特性。该测试方法的特点是测试速度快，测试精度高，结果图包含的信息量丰富并更具直观性和实用性。

2展望虽然在LED光强测试领域的研究已经取得了长足的进步，但仍有许多关键技术有待进一步探索和研究。目前的LED光强测试装置和方法主要有：1）操作简单化，但存在测量时间冗长的旋转法测量；2）缩短测试时间以提高测试效率的多探测器快速测量法，但仍存在定标繁琐的弊端；3）测试结果直观性更好的CCD和图像处理软件结合的测量方法等。随着CCD光度探测器技术的不断发展，智能化、高精度化已成为LED光强测量装置发展的新方向，用户可以根据测试任务需求来选择仪器的测试性能和测试精度。通过采用CCD可以使测量准确度得到进一步提升，并且和图像处理软件的结合，为LED光强测量技术提供了一个新的思路。3结论本文综述了旋转法、多探测器测量法以及基于CCD的测量法的研究进展，总结了三种方法各自的优缺点。经过分析，本文认为，基于CCD的测量法，具有测试速度快，精度高，信息量丰富，测试结果立体感好的显著优势，是未来的主流方向，而且由于CCD产业正在进一步的发展中，CCD的测量精度也不断提高，该测量方法所得到的结果将更加精确，更具实用性。

参考文献：

[1]任豪，王巧彬，李康业，等.LED光源光强空间分布特性的快速测试[J].光学仪器，2008，30（6）：69.

[2]张九红，庄金迅.配光曲线在照明计算中的应用[J].沈阳建筑大学学报，2007，23（6）：941944.

[3]王巧彬，任豪，罗宇强，等.基于LabVIEW的LED三维特性检测的研制[J].应用光学，2009，30（3）：460464.

[4]费翼.LED光强测试仪[J].光电子技术，1992，12（3）：313318.

[5]李天保，梁建，许并社.光子晶体提高GaN基LED出光效率的研究进展[J].半导体光电，2010，31（3）：339343.

[6]FAN S H，VILLENEUVE P R，JOANNOPOULOS J D，et al.High extraction efficiency of spontaneous emission from slabs of photonic crystal[J].Physical Review Letters，1997，78（17）：32943296.

[7]WICK K，RUDDICK K.An accurate measurement of gusing falling balls[J].American Journal of Physics，1999，67（11）：962963.

[8]KANG J H，KIM H G，RYU J H，et al.Enhancement of light output power in InGaN/GaN LEDs with nanoroughed hemispherical indium tin oxide transparent ohmic contacts[J].Electrochemical and SolidState Letters，2010，13（2）：D1D3.

[9]BEARD K V.Terminal velocity and shape of cloud and precipitation drops aloft[J].Journal of Atmospheric Sciences，1976，33（5）：851864.

1.3基于CCD的测试方法该方法利用CCD图像传感器来做采光探测器，以很高的准确度获取整个LED光球面的光强成像图，再通过计算机软件分析，最终可以得到更精确的LED三维光强分布图。

（1）基本原理与结构该测试方法结构如图5所示。待测的LED发光器件被固定在半圆球室的中心处，在半球形测量腔的内表面涂上一层漫反射涂料，在靠近半球中心处装了一个凸面的反射镜，在反射镜和LED间安装一隔板用以隔离LED直射的光线，CCD成像光度计安置在反射镜的正上方[10]。测量时，LED灯在半球面内发射出光，通过半球壁的漫反射涂料均匀反射于半球内表面上。 如图6所示，此时半球腔内壁不同位置所反射的LED光强强度不同。由于LED和凸面反射镜之间存在挡光板的作用，凸面反射镜不会直接受到LED光线的影响。此时，CCD可以通过发射镜接收到整个半球面内壁的图像，如图7所示。

CCD光度探测器可以接收到凸面反射镜上所反射的整个半球体内壁的图像。由于半球面内壁不同位置上的光强强度不同，则CCD接收到半球体内壁表面各处的光信号也有所不同。通过CCD的光电转换功能将所接收到的光信号转为电信号导入计算机中，由计算机软件进行分析形成模拟的凸反射镜成像的二维图形，再通过计算机软件，进一步对该二维图形每一坐标所对应的光强度以及二维图坐标系每一坐标所对应的半球面内表面具体位置进行分析，以及通过对光强度的准确定标，就可以获得LED在整个空间内精确的空间光强分布图。（2）测试结果模拟图及分析通过CCD光度探测器接收到的光强度，以及经过CCD的光电转换功能将光强度信号转换为电信号，再通过成像系统软件可以得到呈现在凸面反射镜上的整个半球面空间内壁的光强图，该图是一个二维的带有坐标系的成像图。该模拟结果如图8所示。这种成像示意图类似于雷达获取的图像，一个圆形的坐标对应着整个半球形内壁，其图像在不同坐标下有不同的颜色，通过准确的定标，可以了解到每种颜色表示的光强度值。其定标可以参考CIE（国际发光照明委员会）所制定的颜色与光强度对比表，如图9所示。由此可知，采用这一种新型光强分布测试方法，所得到的空间光强分布曲线很直观，具有很强的立体感，可以很好地反映LED发光器件的三维空间光强分布特性。该测试方法的特点是测试速度快，测试精度高，结果图包含的信息量丰富并更具直观性和实用性。

2展望虽然在LED光强测试领域的研究已经取得了长足的进步，但仍有许多关键技术有待进一步探索和研究。目前的LED光强测试装置和方法主要有：1）操作简单化，但存在测量时间冗长的旋转法测量；2）缩短测试时间以提高测试效率的多探测器快速测量法，但仍存在定标繁琐的弊端；3）测试结果直观性更好的CCD和图像处理软件结合的测量方法等。随着CCD光度探测器技术的不断发展，智能化、高精度化已成为LED光强测量装置发展的新方向，用户可以根据测试任务需求来选择仪器的测试性能和测试精度。通过采用CCD可以使测量准确度得到进一步提升，并且和图像处理软件的结合，为LED光强测量技术提供了一个新的思路。3结论本文综述了旋转法、多探测器测量法以及基于CCD的测量法的研究进展，总结了三种方法各自的优缺点。经过分析，本文认为，基于CCD的测量法，具有测试速度快，精度高，信息量丰富，测试结果立体感好的显著优势，是未来的主流方向，而且由于CCD产业正在进一步的发展中，CCD的测量精度也不断提高，该测量方法所得到的结果将更加精确，更具实用性。

参考文献：

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[9]BEARD K V.Terminal velocity and shape of cloud and precipitation drops aloft[J].Journal of Atmospheric Sciences，1976，33（5）：851864.

1.3基于CCD的测试方法该方法利用CCD图像传感器来做采光探测器，以很高的准确度获取整个LED光球面的光强成像图，再通过计算机软件分析，最终可以得到更精确的LED三维光强分布图。

（1）基本原理与结构该测试方法结构如图5所示。待测的LED发光器件被固定在半圆球室的中心处，在半球形测量腔的内表面涂上一层漫反射涂料，在靠近半球中心处装了一个凸面的反射镜，在反射镜和LED间安装一隔板用以隔离LED直射的光线，CCD成像光度计安置在反射镜的正上方[10]。测量时，LED灯在半球面内发射出光，通过半球壁的漫反射涂料均匀反射于半球内表面上。 如图6所示，此时半球腔内壁不同位置所反射的LED光强强度不同。由于LED和凸面反射镜之间存在挡光板的作用，凸面反射镜不会直接受到LED光线的影响。此时，CCD可以通过发射镜接收到整个半球面内壁的图像，如图7所示。

CCD光度探测器可以接收到凸面反射镜上所反射的整个半球体内壁的图像。由于半球面内壁不同位置上的光强强度不同，则CCD接收到半球体内壁表面各处的光信号也有所不同。通过CCD的光电转换功能将所接收到的光信号转为电信号导入计算机中，由计算机软件进行分析形成模拟的凸反射镜成像的二维图形，再通过计算机软件，进一步对该二维图形每一坐标所对应的光强度以及二维图坐标系每一坐标所对应的半球面内表面具体位置进行分析，以及通过对光强度的准确定标，就可以获得LED在整个空间内精确的空间光强分布图。（2）测试结果模拟图及分析通过CCD光度探测器接收到的光强度，以及经过CCD的光电转换功能将光强度信号转换为电信号，再通过成像系统软件可以得到呈现在凸面反射镜上的整个半球面空间内壁的光强图，该图是一个二维的带有坐标系的成像图。该模拟结果如图8所示。这种成像示意图类似于雷达获取的图像，一个圆形的坐标对应着整个半球形内壁，其图像在不同坐标下有不同的颜色，通过准确的定标，可以了解到每种颜色表示的光强度值。其定标可以参考CIE（国际发光照明委员会）所制定的颜色与光强度对比表，如图9所示。由此可知，采用这一种新型光强分布测试方法，所得到的空间光强分布曲线很直观，具有很强的立体感，可以很好地反映LED发光器件的三维空间光强分布特性。该测试方法的特点是测试速度快，测试精度高，结果图包含的信息量丰富并更具直观性和实用性。

2展望虽然在LED光强测试领域的研究已经取得了长足的进步，但仍有许多关键技术有待进一步探索和研究。目前的LED光强测试装置和方法主要有：1）操作简单化，但存在测量时间冗长的旋转法测量；2）缩短测试时间以提高测试效率的多探测器快速测量法，但仍存在定标繁琐的弊端；3）测试结果直观性更好的CCD和图像处理软件结合的测量方法等。随着CCD光度探测器技术的不断发展，智能化、高精度化已成为LED光强测量装置发展的新方向，用户可以根据测试任务需求来选择仪器的测试性能和测试精度。通过采用CCD可以使测量准确度得到进一步提升，并且和图像处理软件的结合，为LED光强测量技术提供了一个新的思路。3结论本文综述了旋转法、多探测器测量法以及基于CCD的测量法的研究进展，总结了三种方法各自的优缺点。经过分析，本文认为，基于CCD的测量法，具有测试速度快，精度高，信息量丰富，测试结果立体感好的显著优势，是未来的主流方向，而且由于CCD产业正在进一步的发展中，CCD的测量精度也不断提高，该测量方法所得到的结果将更加精确，更具实用性。

参考文献：

[1]任豪，王巧彬，李康业，等.LED光源光强空间分布特性的快速测试[J].光学仪器，2008，30（6）：69.

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[5]李天保，梁建，许并社.光子晶体提高GaN基LED出光效率的研究进展[J].半导体光电，2010，31（3）：339343.

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[8]KANG J H，KIM H G，RYU J H，et al.Enhancement of light output power in InGaN/GaN LEDs with nanoroughed hemispherical indium tin oxide transparent ohmic contacts[J].Electrochemical and SolidState Letters，2010，13（2）：D1D3.

[9]BEARD K V.Terminal velocity and shape of cloud and precipitation drops aloft[J].Journal of Atmospheric Sciences，1976，33（5）：851864.