总光通量和光谱分布测量-中国LED网

LED的测试方法及国家标准的制订(图)摘要：半导体发光二极管（LED）是新型的发光体，电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能和环保，是下一代理想的照明器件。

一、引言半导体发光二极管（LED）已经被广泛应用于指示灯、信号灯、仪表显示、手机背光源、车载光源等场合，尤其是白光LED技术的发展，LED在照明领域的应用也越来越广泛。

但是过去对于LED的测试没有较全面的国家标准和行业标准，在生产实践中只能以相对参数为依据，不同的厂家、用户、研究机构对此争议很大，导致国内LED产业的发展受到严重影响。

因此，半导体发光二极管测试方法国家标准应运而生。

二、LED测试方法基于LED各个应用领域的实际需求，LED的测试需要包含多方面的内容，包括：电特性、光特性、开关特性、颜色特性、热学特性、可靠性等。

1、电特性LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。

由图1可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。

通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。

图1 LED伏安特性曲线LED电特性的测试一般利用相应的恒流恒压源供电下利用电压电流表进行测试。

2、光特性类似于其它光源，LED光特性的测试主要包括光通量和发光效率、辐射通量和辐射效率、光强和光强分布特性和光谱参数等。

（1）光通量和光效有两种方法可以用于光通量的测试，积分球法和变角光度计法。

变角光度计法是测试光通量的最精确的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量。

如图2所示，现有的积分球法测LED 光通量中有两种测试结构，一种是将被测LED放置在球心，另外一种是放在球壁。

图2 积分球法测LED光通量此外，由于积分球法测试光通量时光源对光的自吸收会对测试结果造成影响，因此，往往引入辅助灯，如图3所示。

LED总光通量高精度检测最新进展一. LED的特点和总光通量测量的挑战众所周知，LED具有以下独特的发光性能：LED产品对温度十分敏感；LED产品光束一般较窄，且通常采用光源和灯具一体化的设计，传统的相对测量不再适用，而绝对光通量和光强分布测量对方法和设备要求更高；LED产品的发光存在明显的空间颜色不均匀性等。

由于LED产品特殊的发光性能，其总光通量的精确测量极具挑战性，LED产品光效测量横向可比性还很不理想。

LED产品总光通量测量已成为各国相关标准研究和制定中的重点关注问题。

二．测量LED总光通量的方法和设备2.1 利用积分球系统精确测量LED光通量的挑战积分球系统测量总光通量已被人们所熟知。

但积分球系统中，LED产品的光谱分布和空间光强分布与常用标准灯间存在较大差异，会带来较大的测量误差。

采用同类LED产品定标积分球系统能大幅提高测量精度，但需要更高精度的总光通量测量方法和设备作为LED产品的量值传递基准。

2.2 分布光度计测量LED的总光通量分布光度计通过测量LED产品在空间的光强或照度分布，并对全空间积分得到总光通量，根据测量光路安排不同，分为光强积分法和照度积分法。

分布光度计系统对LED产品的外形、尺寸和光束角没有特别限制，但保持LED产品自身温度稳定是十分关键的。

光强积分法：中心旋转反射镜式分布光度计中心旋转反射镜式分布光度计已有几十年历史，如图1，被测LED产品必须在相当大的空间范围内绕反射镜反向同步旋转。

除了同步误差不可避免外，该分布光度计中的被测LED产品的温度存在较大的不稳定性：暗室中往往存在上部温度高而下部温度低的现象，温度差一般在2~5℃，被测LED产品实际工作在交变的环境温度之中，且运转空间越大，温差也越大；被测LED产品在运动中产生气流，导致表面温度大幅变化，热惯性则会进一步加剧这种变化。

由这些不稳定因素带来的测量误差因LED产品的设计不同而不同，严重时可达5%以上，加之中心反射镜所无法避免的原理性误差[4]，对于总光通量测量则可达到10%以上的误差。

光测量积分球用于测试LED，灯具和其他照明光源的总光谱通量和前光谱通量准确性和灵活性LMS光测量积分球是用于测量灯具总光通量的积分球。

积分球不能直接测量未知灯的总光通量；而是基于与NMI可追溯标准灯的对比进行测量。

蓝菲光学（Labsphere）的光测量积分球直径从25cm到300cm可选。

六个不同直径的标准品积分球可选用于测试LED和202cm线性灯。

球体内部涂层是Spectraflect®，Spectraflect®是一种专为光测量积分球而配制的白色漫反射涂层。

蓝菲光学（Labsphere）为人眼滤光片应用的积分球提供80％的反射率涂层。

积分球设计符合行业标准的建议，提供了易于操作的高精度测量组件。

易于使用在积分球中可将灯连接线插入灯杆安装板中连接到电源上。

积分球设计使得原本难以测量的光源通过可访问的开口端和框架变得更加容易。

LMS积分球上装有基于扩散器的近余弦接收器。

这减少了与挡板阴影相关误差，提高了空间收集、均匀性和准确性。

开口余弦接收器提供宽视场角，这是精确测量总通量的必要条件。

积分球提供的测量结果是光源的真实功率，而与待测物的形状、大小、光谱或空间光分布无关。

所有的光测量积分球都与蓝菲光学（Labsphere）的光谱仪和频闪测试仪器兼容。

Spectraflect Reflectance Coating规格型号:LMS-025LMS-050LMS-100LMS-165LMS-195LMS-300 4π 料号:AA-30000-025 AA-30000-050 AA-30000-100 AA-30000-165 AA-30000-195 AA-30000-300 积分球尺寸: 25 cm50 cm100 cm 165 cm 195 cm 300 cm 积分球涂层: Spectraflect Spectraflect Spectraflect Spectraflect Spectraflect Spectraflect 最大待测灯长度: 13 cm 25 cm 61 cm 86 cm 132 cm 285 cm 最大待测灯瓦数: 100 W400 W1500 W 4000 W 5000 W 10000 W 最大待测灯光通量*: 0.003 lumens 0.012 lumens 0.04 lumens 0.13 lumens 0.18 lumens 0.41 lumens 积分球配件框架: Bench-top Bench-top On casters On casters On casters On casters 最大高度:(cm) 39.0576.2179.07204.47229.87342.90占地面积:闭合 (cm)45.9 x 30.2 74.1 x 50.4 128 x 98.1 185 x 165 213.2 x 187 431.8 x 571.5 x 39.1x 74x 166.7x 200x 226 打开 (cm)64.2 x 46.8 103.7 x 89.9 174.4 x 165.9 269.3 x 271.8 310 x 307.4 431.8 x 571.5x 39.1 x 74 x 166.7 x 200 x 226 重量:4 kg 20 kg 92 kg 300 kg 347 kg 462 kg 积分球打开方式: 合页式合页式合页式合页式合页式合页式 积分球配件: Spun Aluminum Spun Aluminum Spun Aluminum Spun Aluminum Spun Aluminum Fiberglass框架样式: Extruded Aluminum Extruded Aluminum Extruded Aluminum Extruded Aluminum Extruded Aluminum Extruded Aluminum 积分球涂层:Spectraflect Spectraflect Spectraflect Spectraflect Spectraflect Spectraflect Spectraflect 漫反射涂层 > 97% (nominal) > 97% (nominal) > 97% (nominal) > 97% (nominal) > 97% (nominal) > 97% (nominal) 反射率:总的开口数量: 666666探测器开口尺寸: 1.25 cm 1.25 cm 1.25 cm 1.25 cm 1.25 cm 1.25 cm 探测器开口数量: 122222温度探针开口: 2.5 cm 2.5 cm 2.5 cm2.5 cm2.5 cm2.5 cm待测灯最大推荐 2.5 cm<7 cm dia, <14 cm dia, <23 cm dia, <27 cm dia, <50 cm dia, 尺寸: (LM-79) 33 cm long 67 cm long 110 cm long 130 cm long 202 cm long 4π 几何结构 光源可测最大 13 cm 250 cm 2200 cm 2545 cm 2760 cm 25600 cm 2内表面面积: (2% 规格)(cm 2)积分球涂层最高耐温:100°C100°C 100°C 100°C 100°C 100°C 最大开口或待测物面积: (2π) 5.08 cm dia.; 15 cm dia.; 33 cm dia.; 53 cm dia.; 63 cm dia.; Optional 20 cm 2 71 cm 2337 cm 2879 cm 21246 cm 2开口法兰缩孔器: n/a 15 - 2.5 cm 33 cm - 15 cm; 53 cm - 15 cm; 63 cm - 15 cm; N/A15 cm - 2.5 cm 15 cm - 2.5 cm 15 cm - 2.5 cm 最大可测线性 15 cm33 cm 66 cm 110 cm130 cm待测物尺寸:(占2/3 直径的积分球)* Based on Cool White LED and 2600 Spectrometer特征 • 光密封性好 • 具有向上或向下安装灯座 • 灯杆安装底座牢固 • 荧光灯架可调 • 中心灯杆高度可调 • 可切换挡板 • 温度传感器安装开口 • 2π开口 • 标准灯开口 • 标准灯挡板LMS-025 光测量积分球蓝菲光学（Labsphere）的LMS-025光测量积分球直径为25cm，用于测量微型和超小型，最大灯功率为100W的灯和高亮度led灯。

第三章光通量及亮度的测量§３-１理想积分球原理及光通量标准灯理想积分球的条件：①积分球的内表面为一完整的几何球面,半径处处相等②球内壁是中性均匀漫射面，对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比 ③球内没有任何物体,光源也看作只发光而没有实物的抽象光源理想积分球原理：１.积分球（光通球或球形光度计）结构： ①内部空的完整球壳,内壁涂白色的漫射层②球直径按待测灯尺寸和功率大小而定,直径D=1m 、2m 、3m 等 ③球壁上开一小窗口,其直径d ∝r(灯的尺寸）④球上开一个小门,或打开个口方便装取灯,有接线架、灯头、挡屏 2.积分球原理：设光源S 直接在球内任一点建立的照度E A ，在M 处的照度为E M A 处dS 发生第一次漫射出度为： 故由朗伯定律的特性知dS 面的光亮度为：A 处dS 发生漫射在M 处产生的二次照度为:a M E ρ=0/A L E ρπ=2222222(/2)cos ()()4L L ds AM L ds dE ds AM AM r r θ⋅⋅=⋅=⋅=上式代入得:整个球面发生一次漫射在M 处建立的二次照度为：222244AE dE E ds r r ρρφππ===⎰⎰类似分析为：二次漫射光线在M 处建立的照度为：23233222/44dE E ds r E dE E ds E r ρρπρπ=→===⎰⎰同理：2432E E E ρρ==235432E E E E ρρρ===⋅⋅⋅⋅⋅⋅则M 点的总照度E M 为:212312(1)M E E E E E E ρρ=+++⋅⋅⋅⋅⋅⋅=++++⋅⋅⋅⋅⋅⋅121121114M E E E E E E r ρρφρρπ→=+=+⋅=+--故用小挡屏挡住S 直接射向M 点的光线时，则E 1=0221414M E E r E r ρρρφρφπρπρ-→==⋅→=- 上式中r 、ρ均为常数,球壁上任何位置的E 与光源S 的总光通量Φ总成正比,因此可以通过测量球壁上开的小窗口的照度来计算光源的总光通量Φ总。

LED光学参数的测量技术与LED国家光度标准的研究吕亮姜晓梅赵志丹中国计量科学研究院１、前言近30年来，LED发光二极管的技术已经经历了飞速发展的过程。

LED以其固有的高效率、长寿命、低损耗、耐振动、响应速度快等优点得到了广泛的应用，比如指示灯、显示屏、交通信号灯等，目前正在探索把它应用于照明领域。

由于我国还未建立LED光度标准，严重地影响了LED产品质量的提高和量值的统一，影响着国际贸易和国际间LED技术方面的交流和推广，因此，虽然近几年来我国的LED 产品质量和品种有所提高，但与国外先进国家相比差距较明显。

在这种形势下，我们着手对LED光学参数的测量进行了细致的研究，并进行了LED 国家光度标准的建立工作。

２、ＬＥＤ光参数介绍LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。

２.１发光效率和光通量发光效率就是光通量与电功率之比。

发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。

２.２发光强度和光强分布LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。

这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。

比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。

而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。

２.３波长对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。

因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察现在我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。

３、ＬＥＤ光度测量原理３．１光强度的测量方法把光强标准灯，LED和配有V（λ）滤光片的硅光电二极管安装和调试在光具座上，特别是严格地调灯丝位置，ＬＥＤ发光部位及接受面位置。