一种面向LED光学透镜的光谱透射测量系统

蔡 怡，汪哲弘，张 钰

(杭州市质量技术监督检测院，浙江 杭州 310019)

一种面向LED光学透镜的光谱透射测量系统

蔡 怡，汪哲弘，张 钰

(杭州市质量技术监督检测院，浙江 杭州 310019)

LED灯作为照明光源，通常会应用光学透镜,进行二次光学配光设计，在应用光学透镜后其光谱一般会发生变化，光度和颜色都会发生改变。研究一种面向LED等非平面型镜片的光谱透射测量装置，可以精确测量LED光源经过光学透镜后的光谱变化，为光学设计提供可靠的数据。

LED；光谱；光学透镜；透射

引言

在开发LED照明产品的热潮中，加强产品的基础研究，避免简单模仿，提高产品的性能和质量，是LED照明工作者的重要任务[1]。

将LED光源芯片应用到具体照明产品时，整个系统的出光效率、光强、色温的分布状况也必须设计，称为二次光学设计[2]。通过二次光学设计，可以准确控制光线的方向，解决传统光源一直无法进行有效光学设计来获得精确配光的局面[3]。

光学透镜的运用是二次光学设计的重要组成部分，如利用自由曲面透镜改善LED台灯、路灯的光线分布状况[4-6]。但在应用光学透镜后，其光谱一般会发生变化，从而光度和颜色都会发生改变，其变化直接导致照明效果相应的变化，在生产行业中照明工程师需要根据这种变化调整透镜方案，甚至是芯片方案。

1 现有测量技术

对于光学透镜光谱透射比的测量，目前国内和国际上一般都采用分光光度计。

1.1 基本原理

其基本原理如图1所示。

图1 双光束分光光度计Fig.1 Double beam spectrophotometer

1.2 存在的缺陷

1)可测量样品尺寸限制。被测样品尺寸受到仪器光学系统和机械结构限制，样品尺寸太大或太小都不行，特别是直径2 mm左右的小样品无法测量。

2)不可测量非平面型光学透镜。由单色仪的出射狭缝射出单色光不是平行光束，所以只能测量平面透射样品，不能测量透镜，如凸透镜，凹透镜，因为透镜置入光路将破坏仪器的光线传输特性，造成很大的测量误差，这是此类传统分光光度计的致命缺陷。

3)光束能量只能由控制单色仪的狭缝大小实现。测量仪器的光束能量大小只能由控制单色仪的狭缝大小实现，但是狭缝大小变化后，仪器的测量光谱带宽随着发生变化，不能满足测量的要求。

4)不能快速测量样品在特定标准光源照明下的积分透射比。系统缺少V(λ)探测器，无法一次测量材料在特定标准光源照明下的积分透射比。

因此，研究一种适用于LED光学透镜的光谱透射测量系统，可以更具有针对性地对非平面型光学镜片的光谱透射比，角度特性、偏振片消光比等进行精密测量。

2 系统设计

2.1 系统结构

本测量系统主要由光源及稳流驱动系统、透射比测量系统、光度探测器、光谱分析系统、计算机软件处理系统五部分组成。系统结构如图2所示。

1—外罩壳；2—被测反射样品或标准白板；3—右半积分球，4—光纤；5—光度探测器；6—左半积分球；7—被测透射样品(平面或透镜)；8—可变光阑；9—防杂散光阑；10—第一透镜；11—视场光阑；12—第二透镜组座；13—第二透镜组；14—照明光源座；15—照明光源；16—导光纤维；17—光陷井图2 光谱透射测量系统结构图Fig.2 Structure figure of spectral transmission measurement system

2.2 工作原理

系统的工作原理是：照明光源(15)发出的光束被第二透镜组(13)会聚至视场光阑(11)，光束经视场光阑入射于第一透镜组(10)，并转变为平行光束，9为防杂散光阑，平行光束孔径大小由可变光阑(8)控制，光束入射于被测反射样品或标准白板(2)，光束经被测反射样品或标准白板(2)反射后，由积分球(3、6)漫射的光被导光纤维(16)接收，传递到光谱分析仪转变为样品光电信号，通过电路硬件送入计算机处理，积分球反射样品平面与入射光束的角度设计为8°～10°，并在积分球上设置光陷井(17)，可以吸收标准白板或被测反射样品的镜面反射光束。在积分球壁上设置光度探测器(4)，可以测量样品的透射比τ和反射比ρ，照明光源(15)的光源驱动为恒流电源，电流稳定度优于0.1%。

2.2.1 光源及稳流驱动

光源的稳定是测量系统稳定的前提。本系统的照明光源为A光源，采用OSRAM卤素灯，光源驱动为稳流驱动，内置温度基准，进行实时温度漂移补偿，因此该照明系统可以达到很高的精度，光源驱动稳定性0.02%。

2.2.2 透射比测量系统

由A光源产生的光经光学系统生成平行光束，光束直径可调，最小直径为2 mm； 其接收器采用积分球，由积分球反射的光能由光纤传输至光谱分析系统，因此该部件可以检测光学元件的光谱透射特性，反映出它对彩色还原的影响，该系统的性能类似于分光光度计。由于应用了积分球集光，所以特别适用于透镜透射特性的测量，保证了系统适用于除平面型镜片之外的光学元件进行测量；同时也适用于滤光片透射光谱的测量。

透射比测量系统中具有角度旋转台，其转动角度可达110°，以测量各种入射角条件下的透射和反射光谱特性。装置中的准直光束直径可以调至2 mm，能正确入射于二向色镜(PBS)的狭长入射面积，同时转动工作台，可以获得二向色镜(PBS)的光束入射角光谱透射特性。此外,该装置中设置P-S偏振分量调节装置,可以为用户提供快速P-S偏振分量的变换，测量不同偏振条件下的光谱透射特性。

2.2.3 光度计

光度计探头采用符合人眼明视觉光谱光视效率曲线的光度传感器，由于照明系统采用A光源，因此光度计可以直接读取被测光学元件在A光源下的积分透射比。

2.2.4 光谱分析系统

该部件包括单色仪、光电倍增管、信号接口等。积分球收集的光进入单色仪，由光电倍增管接收转变为样品光电信号，通过电路硬件信号接口送入计算机处理。单色系统为部件的最重要单元，应用光栅作为分光元件，系统焦距f′=300 mm，光谱分辨率达0.1 nm，波长精度为0.2 nm，可以满足光谱精确测量的要求。在波长标定系统中应用了波长自动校准技术，因此系统可以通过计算机进行波长自动校准。

3 系统优点

3.1 双探测器

光源可校正为标准A光源光谱分布，在积分球壁上的光度探测器4采用V(λ)探测器，这时应用标准白板对仪器标定后，可一次测量材料在A光源照明下的积分透射比，测量数据由光度计(5)显示，当采用变换A光源为D65标准光源的D65(λ)探测器时，应用标准白板对仪器标定后，可一次测量材料在D65光源照明下的积分透射比τ，测量数据由光度计(5)显示。该仪器同时提供二个探测器，V(λ)探测器和D65(λ)探测器，这是常规分光光度计不具备的。

3.2 测量样品尺寸范围大

在光路上设置可变光拦，调节可变光拦可改变入射于被测样品或标准白板的光束强度，或测量光束口径的大小，以适应不同的透镜直径，而单色仪的狭缝大小不会变化，仪器的测量光谱带宽不随光束强度改变而发生变化。此外由于可变光拦通光口径可调节至2 mm，因此很小直径的CCD摄像镜头的积分透射比τ积分反射比ρ都可以测量。

3.3 可测量光谱透射比和光谱反射比

当入射于被测透射样品的光束经标准白板反射，再被积分球漫反射后，由导光纤维接收，传递到光谱分析仪转变为样品光电信号，通过电路硬件送入计算机处理，可获得被测透射样品的光谱透射比τ(λ)，具有常规分光光度计的特性。

本系统经标准白板校正后，换成被测反射样品，当入射于被测反射样品光束被反射，再被积分球漫反射后，由导光纤维接收，传递到光谱分析仪转变为样品光电信号，通过电路硬件送入计算机处理，可获得被测反射样品的光谱反射比ρ(λ)。

3.4 测量误差小

由于本测量系统出射的光束为平行光束，而且经透射样品(透镜)立即被积分球完全收集，这样的测量结构不仅可测平面透射样品，而且也可以精确测量凸透镜、凹透镜的透射比τ。常规分光光度计入射于透射样品的光束不是平行光，而且需经一组反射镜的光学测量光路后进入积分球，因此通过透射样品的光束不能全部被积分球收集，造成大的测量误差。

4 结论

通过研究这种新型的光谱透射测量系统，解决精确测量非平面型光学镜片的透射比问题，填补目前国内外该检测技术领域的空白，为目前众多生产厂家对非平面型光学镜片在诸如LED半导体照明二次光学系统透镜、传统的投影光学引擎中的投影物镜、立方合分色棱镜、PBS镜、数码相机镜头、光学镜片等光学设计提供可靠的数据依据。

致谢：致谢钱枫教授级高工的精心指导和教育，致谢杭州新叶光电工程技术有限公司为研究提供的零部件支持，致谢本工作受到的浙江省质量技术监督系统科研计划项目资助。

[1] 周泉生，张暹.LED日光灯结构设计研讨[J].中国照明电器,2012,(1):24-27.

[2] 闫瑞，肖志松，邓思盛,等. LED光学设计的现状与展望[J].照明工程学报，2011,22(2):38-42.

[3] 刘欣. LED照明的透射——全反射型复合曲面二次光学透镜的设计[J].应用光学，2011，32(5):978-980.

[4] 卓友望,葛子平.实现LED台灯均匀照明的自由曲面透镜仿真设计[J].照明工程学报，2011,22(6):4-7.

[5] 蒋金波，杜雪，李荣彬.LED路灯透镜的二次光学设计介绍[J].照明工程学报，2008,19(4):59-65.

[6] 于莉媛. LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计[J].能源与节能，2011，(9):73-74.

A Spectral Transmission Measurement System of LED Optical Lens

CAI Yi,WANG Zhehong, ZHANG Yu

(HangzhouInstituteofTestandCalibrationforTechnologySupervision,Hangzhou310019,China)

As light source, LED usually made secondary optical light distribution design by applying optical lens, but when optical lens was used, LED spectrum will change; luminosity and color were both changed. Design on a spectral transmission measurement system oriented LED non planar lens, the spectrum change can be accurately measured while LED light source go through optical lens, so that can provide reliable data for optical design.

LED;spectrum; optical lens; transmission

浙江省质量技术监督系统科研计划项目——面向LED非平面型光学镜片的光谱透射测量系统的研究与开发(20120234)

TH744

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.023