积分球和分布光度计测量灯具的光通量的差异

LED光度测量的难点及其分析吕亮吕正中国计量科学研究院光学处 100013摘要:介绍发光强度和光通量的定义及其必要的几何条件，然后讨论LED是否满足这些几何条件，给出LED实际测量的定义和条件，分析LED本身会带来的测量误差。

关键字：　ＬＥＤ、发光强度、光通量、变角光度计、积分球、挡屏、反射率。

DIFFICULTY ASPECTS OF LED PHOTOMETRICMEASUREMENTAND IT’S ANALYSISLv Liang Lv ZhengNational Institute Of Metrology 100013Abstract:Here we will introduce the definitions and geometries of luminous intensity and luminous flux;Analysis:Do LEDs fit those geometries? Some practical definitions and discussions;Sources of error.Keywords: LED, luminance flux, luminance intensity, luminance, illuminance,goniometric, integrating sphere,baffle, reflectivity引言以发光二极管（LED）为代表的现代照明光源与白炽灯、荧光灯之类的传统光源相比，它有寿命长、光效高、功耗低及便于维修等优点，所以目前世界上生产和使用LED呈现急速上升的趋势。

随之对LED性能的测试和评估被提到日程上来。

传统的光学参数比如：发光强度、光通量、辐射强度、辐射通量、峰值波长主波长、光效率、色坐标等可以被用来评估LED的性能。

但是随着世界各国生产技术水平的提高和产品竞争的日趋激烈，使得人们对光强、光通量计量的精确程度提出了更高的要求。

LED光源灯具光通量的测量不确定度因素分析作者：魏飞雄来源：《科技资讯》 2013年第20期魏飞雄(中国兵器装备集团摩托车检测技术研究所陕西西安 710032)摘要:分析了LED光源灯具光通量测量的影响因素,使用数学模型对测量不确定度进行评定,计算出A类、B类不确定度,经过合成,得到在一定的置信区间下的扩展不确定度。

关键词:LED光源灯具光通量积分球系统测量不确定度中图分类号:TN312.8 文献标识码:A文章编号:1672-3791(2013)07(b)-0089-02随着LED光源照明产品的广泛应用和政府大力推广,人们对于LED光源产品质量要求和能效的关注程度在逐步提高。

光通量的检测结果是影响LED光源产品能效质量的必要因素,因此光通量测量的准确性显得尤为重要,而测量结果都不可避免地具有不确定度,测量不确定度是评估测量结果正确性的关键指标。

检测系统的测量不确定度对检测结果的影响越来越受重视,对检测实验室的要求不断增加。

虽然检测实验室使用的单个仪器和设备都分别依据相应的法定检定规程要求进行了检定或校准,但由多台或多种计量仪器设备组成的测量系统总体的测量不确定度对测量结果有一定的影响,并且这种误差被实验室审核体系日益重视。

本文介绍对E27型LED光源球泡灯进行一致性检验时,使用积分球系统对光通量的测量不确定度的评定。

根据评定要求对样品进行5次检测,通过提高测量不确定度评定时的样本量,以降低随机误差造成的A类标准不确定度的偏差;另外,测量不确定度来源的分析是以本次试验条件下的人员、设备、标准、环境为依据,可能因分析因素不够全面准确而存在偏差。

1 积分球测量系统的光通量测量不确定度分析积分球测量系统的设备构成:2 m恒温积分球、HAAS-2000高精度快递光谱辐射计、1.5 m传输光纤、TPS-500B交流测试电源、D204通用标准光源、Pt1000数字温度计。

1.1 测量结果不确定度的来源(1)样品重复测量随机误差造成的不确定度。

分布光度计与光谱仪总光通量测试的利弊对比根据IESNA-LM-79-08，SSL 产品的总光通量（流明）应该使用积分球系统或测角光度计进行测量。

具体的选用方法取决于还需要测量其它哪些测量值（颜色，强度分布）以及SSL 产品尺寸和其它要求。

积分球系统适合用于集成LED 灯具和相对较小的LED 光源测量总光通量和色度，积分球系统具有测量速度快和无须暗室的优点。

空气流动达到最小，球体内温度不易受温度控制室内潜在的气流影响。

注意安装在积分球内部或表面的SSL 产品散发的热量可能会集聚并增加所测产品的环境温度。

积分球有两种使用方法，一种采用的是V(λ)校正的光度探头，另一种采用光谱分析仪作为探测器。

由于积分球光度计存在V(λ)光谱响应偏差，所以使用第一种方法会产生光谱非匹配误差，而第二种方法理论上没有光谱非匹配误差。

分光辐射仪是SSL 产品测量的首选方法，因为采用光度探头产生的光谱非匹配误差非常严重而不仅仅只对于LED 发射光和校正很重要，它需要用到系统光谱响应以及被测装置频谱方面的知识。

另外，采用测角光度计同时也可以测出色度和总光通量。

测角光度计可以测量光强分布以及总光通量。

测角光度计在测量小型SSL 产品的同时，还能测量尺寸相对较大的SSL 产品（相对于传统荧光灯照明）的总光通量。

测角光度计通常安装在有温度控制的暗室内，不易从被测光源吸收热量。

但要注意通风装置可能影响对温度敏感的SSL 产品的测量。

使用测角光度计测量比球体光度计更耗时。

使用宽带光探测器的测角光度计易受上述光谱非匹配误差的影响。

事实上，如果在颜色和角度方面改变很大，校正光谱非匹配误差就更难。

一般积分球系统和测角光度计测试裸光源的时候，数据相差不大。

如果测试灯具，以分布光度计的测试结果为准，当然这个是要确保分布光度计的校准是准确的。

按照正规测试要求来说，积分球是用于测试光源的，测角光度计是用于测试灯具的。

力汕LSG-2000旋转反光镜立式分布式光度计是一款自动测试3D光强分布曲线的旋转反光镜立式分布光度计系统，可实现C-γ、A-α和B-β测量方案，完全满足CIE，IESNA，GB等国际国内标准。

提高积分球中的LED光通量测试的准确性另一方面，LED测试系统通常用法卤钨灯作为标准光源，与LED相比，所用法的标准灯在外观上，照明分布特征和光谱特性方面都有很大区分。

因此，两者的差异应由汲取系数修正。

分析:积分球内部反射特性是使LED方向性对测量精度有影响的关键因素之一。

在一般LED测试系统中，积分球表面涂层的反射率和朗伯特性不抱负。

一个缘由是低反射率，另一个缘由是漫反射特性差。

低反射率的积分球表面的结果是LED直射光的结果是LED的直射光在几次反射后逐渐衰减。

然而，在囫囵光混合的过程中，挺直照耀光和反射光都占有很大的比例，这是主导的。

在某些状况下，低反射率材料会对挡板探头的背面产生剧烈的阴影效应。

然而，这是直线反射的光影效果导致测量不精确。

此外，较低的漫反射率将严峻影响信号的衰减。

因为在光测量过程中，光在积分球中多次反射，每次反射都会产生一定的衰减，但反射度对光强的影响在多次反射之后得到加强。

例如，反射光在积分球反射了15次，假如在反射率之间存在5%的差异，信号衰减可能会超过一倍。

事实上，积分球的反射率的差异远远超过这一点。

目前的LED测试系统还没有被用作标准光源的标准LED。

在测量过程中，我们仍然挑选用法标准卤钨灯作为标准光源。

因为标准灯和测量LED的外部结构差异很大，包括LED灯座的吸光影响以及标准灯具安装位置和LED安装位置之间的差异，全部这些都是影响测试结果的精确性的重要因素。

解决计划:LPCE-2光谱仪&积分球LED测试系统是由上海力汕电子研发的一套LED 测试系统, 彻低符合LM-79和CIE相关要求, 有效解决了传统LED测试系统的各种缺陷。

与传统积分球的大规模组装生产技术相比，力汕电子采纳一次性成型第1页共2页。

以积分球为基础的LED光学参数测试准确性的研究于立民Greg Mckee（蓝菲光学Labspherere Inc.）摘要：根据LED光通量测量的特殊性，在LED测量用积分球设计中进行了独特的优化，同时采用高反射率的漫反射材料，使得系统稳定性及准确性大大提高。

实验结果表明，系统的稳定性及一致性远远高于其他普通LED测试系统。

是真正适合进行LED光学参数测量的系统。

关键词：LED测量积分球前言在使用积分球进行光通量测量过程中，与普通光源不同，LED光源的光通量测量在的测试准确性方面对设备提出了很大的挑战。

一方面LED较普通光源通常具有较强的方向性，通常不会在整个空间均匀地发光。

该特性使得LED直射光在积分球表面的分布呈不均匀分布，该不均匀分布又直接导致不同LED的直接反射光相对探测器的反射特性不同。

因为探测器口的位置及挡板的设置是固定的，而不同的反射分布直接表现为信号起伏。

在普通的测量系统中，不同的正向发散角的LED、同一LED不同的放置方向、同一方向不同位置等差异，即使光通量是一致，表现出来的测量值也表现出极大的差异性。

根据客户的验证结果，普通LED测量系统LED的放置方向对光通量测量结果的影响往往超过50%（同一LED在不同方向测量得到的最大信号和最小信号的差异）。

在测量不同LED不同发光角度时，由于在积分球内表面的分布差异使得直接反射的分布对探测器的影响也不同，从而直接影响到两者测量的准确性的差异。

如图1所示。

另一方面LED测量系统通常使用卤钨灯作为标准光源，使用的标准灯本身与LED无论实在外形上、发光的分布特性上还是光谱特性上都有较大的差异。

因此二者的差异性必须进行必要的修正。

分析：LED的方向性对测量准确性影响的一个重要原因是积分球的内表面反射特性。

在普通的LED测量系统中，积分球表面涂层的反射率和朗伯特性都不是很理想。

一个是反射率偏低，另一个是漫反射特性不好。

低反射率的积分球表面的一个结果就是，LED的直接照射光经过很少的几次反射后就逐渐衰减，而在整个的光混合过程中，直接照射光和直接反射光占了很大的比重，起了主导作用。

编号：__________积分球测试光通量不准确的解决方案（最新版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日积分球在测试灯具光通量时与标准值偏低，甚至会达到20％的偏差（设备原理问题，国内国外设备一样），用分布光度计测试光通量准确，但测试效率低，一天约测试8个灯，无法满足企业大量测试需求。

积分光度计工作原理：灯具发出的光照射在积分球内壁上，经内壁涂有漫反射材料的表面多次反射后形成均匀照度的光线后进入光谱辐射仪，形成测试数据。

因此在使用积分球测试光通量时可能有几方面的原因影响测试数据：标准灯与被测光源光分布不同会产生偏差。

角度越大偏差越大。

标准灯与被测灯尺寸不同产生偏差。

被测灯具外观颜色的吸附性会降低反射光通，产生偏差。

积分球内壁使用时间久后反射率下降。

由以上四点原因，在测试黑色的小角度射灯时光通量有时候会比实际光通量低20％，使积分球在测试光通量时失去意义。

积分球在测试时采用标准灯校准，如果校准后还不能达到理想数据或者为了使校准数据更准确，软件内部有一个修正系数，如下图所示。

测试主页面修正系数页面根据这一原理，只要知道一个灯的准确光通量，用积分球在修正系数为1时为测试数据为X，用已知的准确光通量／X出来一个系数，即为修正系数。

上图修正系数页面输入不方便，可在下图自吸收位置输入修正系数，结果一样。

将计算出的修正系数输入后重新测试，测试结果与已确定光通量相同，误差在2％内。

计算出的修正系数测试此灯准确，测试其它灯是否准确，经过近半年多次验证，同种类型灯（筒灯／射灯等）、结构尺寸偏差不大（如3W／6W／9W 等）、可用一个系数。

将此系数保存，以后同类型，尺寸偏差不大的灯都可以用已确定的系数。

用此方法测试的灯已排除角度、颜色等传统影响积分球因素，主要和灯具外形和尺寸有关。

分布式光度计与积分球随着科技的不断进步和应用领域的拓展，光学测量技术在各个领域中发挥着重要的作用。

其中，分布式光度计与积分球是两种常用的光学测量设备。

本文将分别介绍这两种设备的原理、应用以及优缺点。

一、分布式光度计分布式光度计是一种用于测量光传输和光散射的设备。

它通过将光传输过程中的强度、方向和波长信息进行采集和分析，可以得到光的各种特性参数。

分布式光度计由多个探测单元组成，这些单元可以分布在空间中的不同位置。

每个探测单元都可以独立采集光的强度和方向信息，并将数据传输到中心控制单元进行处理和分析。

分布式光度计的原理是基于光的传输特性。

当光经过材料或介质时，会发生吸收、散射、透射等过程。

分布式光度计通过测量光的散射和透射，可以获得材料或介质的光学参数，如透射率、反射率、散射系数等。

同时，由于探测单元的分布式布置，分布式光度计可以实现对空间中光传输的实时监测和分析。

分布式光度计的应用非常广泛。

在材料科学领域，它可以用于研究材料的光学特性，如光学吸收谱、散射特性等。

在环境监测领域，分布式光度计可以用于监测大气中的颗粒物浓度、光学特性等。

在医学领域，它可以用于检测生物体组织的光学特性，如血液中的血红蛋白含量等。

分布式光度计具有一些优点。

首先，它可以实现对空间中光传输的实时监测，具有高灵敏度和高分辨率。

其次，由于采用了分布式布置，可以对大范围的区域进行测量，具有较大的测量范围和灵活性。

此外，分布式光度计还可以通过多个探测单元之间的相互补偿，提高测量的准确性和可靠性。

然而，分布式光度计也存在一些缺点。

首先，由于需要部署多个探测单元，设备成本较高。

其次，由于探测单元之间的相互干扰，可能会导致测量结果的误差。

此外，分布式光度计对环境的要求较高，对光源的稳定性和均匀性要求较高。

二、积分球积分球是一种用于测量光强度和光功率的设备。

它由一个空心的球形结构组成，内壁覆盖有高反射率的材料。

当光进入积分球后，会在球内发生多次反射，使得光在球内均匀分布。

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在积分球和分布式光度计中流明测试差异分析众所周知测试LED光通量在CIE121：1966 Clause 6.1、CIE127-2007 Clause 6.2和IES-LM-79-08 Clause 9.0都有提到两种测试方法：一种是采用积分球加光度计或光谱辐射计测试的积分法，这个是总光通量的相对测量方法（CIE121：1966 Clause 6.1.1、CIE127-2007 Clause 6.2.2和IES-LM-79-08 Clause 9.0）；另外一种是采用分布光度计的光度法，这个是总光通量的绝对测量方法。

如果我们用积分法和光度法去测试同一个灯，对比测试结果我们会发现二者测试的总光通量数据有较大差异。

本文重点讲述的是LED灯具在积分球和分布式光度计中流明测试的差异。

积分法测试总光通量的原理是通过光通量标准校准。

由于用标准灯校准，所以不必知道球体的光谱输出量，被测LED灯产品的光通量φTEST（λ）是与标准灯比较计算出来的。

通常来讲积分法适合用于小型集成LED 灯具和相对较小的LED 光源测试总光通量和色度参数，这是总光通量的相对测试方法，采用积分法具有测量速度快和无需暗室的优点，通常体积越小，越接近于点光源的灯具测试结果越准确。

但是用积分法测试较大尺寸的LED灯具时，和光度法相比，它的局限性就很大。

首先就是用积分法测试灯具时，会面临到LED灯具有多种形式，有LED裸光源，球形LED灯泡，LED灯具等等，而LED灯具的类型对最终光通量的测试有很大影响。

与此同时采用积分法还需要做积分球的校准工作。

通常如果是测试LED灯具的话，标准灯需要和被测灯有相似发光特性，采用稳定的白光LED是最佳选择；当然用其它类型的灯做校准光源也可以，但这会影响到校准的精准性；其次是测试方式带来的差异：一般来讲如果被测灯是朝四周发光的需要用4π的测试方式即将被测灯安装在积分球中心位置（IESLM-79-08 Clause 9.2.5），这样的测试效果最佳，如果灯具是定向发光的，如LED面板灯，LED路灯等需要将被测灯安装在积分球一侧做2π测试（IESLM-79-08 Clause9.2.5）。

光通量的常用测量方法
光通量是描述光源发出的总光功率的物理量，通常以流明（Lumen）为单位。

以下是光通量的常用测量方法：
积分球法：使用积分球是一种常见的测量光通量的方法。

这个方法基于将光源放置在一个被称为积分球的球形结构内，球内有一个或多个光敏元件，测量通过球表面的总光量。

这样可以捕捉光源在所有方向上发射的光。

直接照度法：通过在特定距离上放置光度计（照度计），并测量其所接收到的光辐射，然后使用照度值和测量距离来计算光通量。

这个方法通常需要考虑发光源的发光特性和照明方向。

光度计法：使用光度计（光度分布曲线测量仪）来测量光源的光度分布。

通过测量光度并将其积分得到总光通量。

辐度计法：通过辐度计（辐度分布曲线测量仪）来测量光源在不同方向上的辐度分布，并进行积分得到总光通量。

比较法：使用已知光通量的标准光源进行比较。

通过将标准光源与待测光源放在相同的条件下进行比较，可以推断出待测光源的光通量。

光电二极管法：使用光电二极管测量光源辐射到光电二极管上的光功率，并通过一系列的校准和计算来确定光通量。

光谱辐射计法：使用光谱辐射计测量光源的辐射光谱，并通过积分获得总光通量。

不同的测量方法适用于不同的光源和应用场景。

在选择测量方法时，需要考虑光源的类型、发光特性、测量的精度要求以及实际测量环境等因素。

通常，专业的光度计、辐度计和积分球等设备可用于精确测量光通量。