劉 慧， 趙偉強(qiáng)， 劉 建， 李 奕， 趙海粟

（1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029； 2.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西西安 710065）

LED總光譜輻射通量測(cè)量技術(shù)的研究

劉 慧1， 趙偉強(qiáng)1， 劉 建1， 李 奕2， 趙海粟1

（1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029； 2.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西西安 710065）

簡(jiǎn)述了用變角輻射計(jì)測(cè)量光源的總輻射通量及總光譜輻射通量的原理和方法。介紹了變角輻射計(jì)的組成和特點(diǎn)，并使用該裝置測(cè)量了3種光源的輻射通量，測(cè)量結(jié)果的不確定度為1.6%～3.6%（k＝2）。由輻射通量計(jì)算得到的光通量與光度法測(cè)得的光通量的偏差小于0.9%，在不確定度范圍之內(nèi)。

計(jì)量學(xué)；輻射通量；光譜輻射通量；變角光譜輻射計(jì)；陣列光譜輻射計(jì)；LED

1 概 述

用于評(píng)價(jià)LED的光學(xué)參數(shù)主要有光效、總光通量、光強(qiáng)空間分布、色品坐標(biāo)、總輻射通量、總光譜輻射通量。輻射通量是光源的基本技術(shù)參數(shù)。由于多數(shù)LED的準(zhǔn)單色性及V（λ）函數(shù)的兩翼數(shù)值小，對(duì)于LED，尤其是紅色和藍(lán)色LED的特性評(píng)價(jià)，若采用總光通量，測(cè)量結(jié)果的一致和可靠性差。在我國(guó)十城萬(wàn)盞照明工程的采購(gòu)招標(biāo)中發(fā)現(xiàn)，許多LED燈具光度參數(shù)的實(shí)際值與標(biāo)稱值嚴(yán)重不符，大部分品種都有較大的偏差。而輻射通量則更能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)LED的特性和能源轉(zhuǎn)換效率，便于生產(chǎn)中的質(zhì)量控制。目前普遍使用的積分球和光譜輻射計(jì)的組合進(jìn)行總光通量和色度參數(shù)的測(cè)量［1，2］，常用總光通量標(biāo)準(zhǔn)燈和分布溫度標(biāo)準(zhǔn)燈定標(biāo)，無(wú)法測(cè)量輻射通量。因此開展光源的總光譜輻射通量測(cè)試技術(shù)的研究，建立測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，復(fù)現(xiàn)總光譜輻射通量單位的量值，對(duì)完善光輻射計(jì)量體系，促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有十分重要的意義。

2 總光譜輻射通量的測(cè)量原理

輻射通量或輻射功率（radiant power）是指光源以輻射的形式發(fā)射的功率，光譜輻射通量一般表示為輻射通量的光譜密集度按波長(zhǎng)的分布，該量的符號(hào)為Φeλ（λ）（W／nm）?？偣庾V輻射通量是光源向4π空間發(fā)出的光譜輻射通量的總和?？偣庾V輻射通量的測(cè)量方法有絕對(duì)法和相對(duì)法［1，2］2種。

2.1 絕對(duì)測(cè)量方法

絕對(duì)法有2種測(cè)量方法，空間積分法和絕對(duì)積分球法?？臻g積分法是用變角輻射計(jì)測(cè)量光源光譜輻射強(qiáng)度的空間分布，經(jīng)數(shù)值積分計(jì)算出總光譜輻射通量和總輻射通量。

變角輻射計(jì)在4π立體角內(nèi)的各個(gè)方向（θ，φ）測(cè)量被測(cè)光源的光譜輻射強(qiáng)度（圖1），則總光譜輻射通量的光譜密集度Φeλ（λ）為：

式中：Ieλ（λ，θ，φ）為光源在球坐標(biāo)系（θ，φ）中的輻射強(qiáng)度的光譜密集度，R為光源與光譜輻射計(jì)的探測(cè)器之間的距離。

光源在波長(zhǎng)380～780 nm區(qū)間的總輻射通量為：

圖1 變角輻射計(jì)的球坐標(biāo)系

絕對(duì)積分球法［3］是使用配備了光譜輻射計(jì)和精密光闌的積分球進(jìn)行測(cè)量。光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈和一個(gè)精密光闌引入一束參考的輻射通量Φeλ，ref（λ）到積分球內(nèi)（圖2）。

式中：A為精密光闌的面積，Eλ（λ）為光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈在精密光闌處產(chǎn)生的輻射照度的光譜密集度。

通過(guò)比較被測(cè)燈光電信號(hào)γt（λ）與參考輻射通量的光電信號(hào)γref（λ），便可計(jì)算得到被測(cè)燈的總光譜輻射通量Φeλ，t（λ）。測(cè)量時(shí)還應(yīng)考慮積分球的空間光譜響應(yīng)的不均勻性及其他修正因素，若修正因子為kcor（λ），則有：

圖2 用于光譜輻射通量測(cè)量的絕對(duì)積分球

2.2 相對(duì)測(cè)量方法

相對(duì)法是開展量值傳遞和日常工作中常用的測(cè)量方法。該方法通過(guò)被測(cè)燈與總光譜輻射通量已知的標(biāo)準(zhǔn)燈相比較而求得被測(cè)燈的總光譜輻射通量。測(cè)量方法與光通量測(cè)量方法類似，但是應(yīng)注意被測(cè)燈與標(biāo)準(zhǔn)燈的相對(duì)光譜功率分布應(yīng)盡量接近，否則應(yīng)考慮對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。與絕對(duì)法相比，相對(duì)法測(cè)量設(shè)備費(fèi)用低，占用的空間小，因此在光輻射測(cè)量領(lǐng)域已被廣泛使用。

2.3 輻射計(jì)的選擇

用于總輻射通量測(cè)量的探測(cè)器可選用光譜響應(yīng)度平坦的探測(cè)器，如熱電探測(cè)器或與濾光片組合的光電探測(cè)器，也可選用陣列光譜輻射計(jì)。熱電探測(cè)器因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不適合用于變角輻射計(jì)測(cè)量系統(tǒng)；與濾光片組合的光電探測(cè)器，其平坦性僅為5%，用于測(cè)量光譜功率分布不平坦的燈如LED燈和氣體放電燈，會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。陣列光譜輻射計(jì)較光譜響應(yīng)平坦的光電探測(cè)器能得到更高的準(zhǔn)確度，但其測(cè)量弱信號(hào)時(shí)，需要有較長(zhǎng)的積分時(shí)間，測(cè)量時(shí)間為光電探測(cè)器的2～3倍。隨著陣列光譜輻射計(jì)性能的提高，已經(jīng)廣泛用于光輻射測(cè)量，可同時(shí)獲得被測(cè)燈的輻射度、顏色、光度參數(shù)。國(guó)外目前進(jìn)行輻射通量的測(cè)量大多數(shù)都使用陣列光譜輻射計(jì)［2，4］。本項(xiàng)工作選用1024×128像素的陣列光譜輻射計(jì)，波長(zhǎng)范圍為360～830 nm，測(cè)量時(shí)選用的波長(zhǎng)范圍為380～780 nm；波長(zhǎng)最大誤差0.3 nm；波長(zhǎng)分辨力2.2 nm。

2.4 掃描間隔和曝光模式的選擇

變角輻射計(jì)的掃描模式有2種：步進(jìn)掃描和連續(xù)掃描。步進(jìn)掃描模式時(shí)，變角輻射計(jì)按一定的角度間隔轉(zhuǎn)動(dòng)，在其停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光譜輻射計(jì)進(jìn)行采樣，采樣完成后，光譜輻射計(jì)再轉(zhuǎn)到下一位置。其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)丟步，但是需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間。連續(xù)掃描模式是變角輻射計(jì)按照一定的速度連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，光譜輻射計(jì)按照同樣的角度間隔即一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間短，但可能產(chǎn)生丟步或采樣位置不準(zhǔn)。

光譜輻射計(jì)的曝光時(shí)間有2種設(shè)定方式：自動(dòng)增益和固定積分時(shí)間。為保證測(cè)量的可靠性，本項(xiàng)工作采用步進(jìn)掃描的模式，曝光時(shí)間設(shè)定為自動(dòng)增益。但如果采樣時(shí)間已達(dá)到6 s，則結(jié)束采樣，這樣既保證了弱信號(hào)的采樣精度，又提高了測(cè)量的效率。

3 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)LED光源的特點(diǎn)，在光源旋轉(zhuǎn)時(shí)不影響發(fā)光的穩(wěn)定性，研制了臥式變角光譜輻射計(jì)（圖3），它由陣列光譜輻射計(jì)和二維控制轉(zhuǎn)臺(tái)組成［4］。其水平軸（自轉(zhuǎn)軸）B在測(cè)量起始時(shí)與配套光學(xué)導(dǎo)軌軸線一致。測(cè)量時(shí)根據(jù)被測(cè)光源功率設(shè)定測(cè)試距離。

圖3 變角輻射計(jì)原理圖

如圖3所示，M為一水平轉(zhuǎn)臺(tái)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的最小步進(jìn)角不大于3′，由14位的絕對(duì)編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ，電腦顯示轉(zhuǎn)過(guò)的角度。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間為0.5～3 min，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝被測(cè)燈自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。自轉(zhuǎn)軸為一空心管，光源的夾具固定在空心管內(nèi)，并與空心管同軸，亦用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，水平軸（自轉(zhuǎn)軸）的步進(jìn)角φ的最小步進(jìn)值為30′。垂直軸A與水平軸B應(yīng)正交，兩者的偏離不大于0.1 mm。用于測(cè)量LED模塊或小型射燈時(shí)，在自轉(zhuǎn)軸上可安裝夾持機(jī)構(gòu)隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

在光學(xué)導(dǎo)軌上，采用分布溫度約為3200 K的光譜輻射照度標(biāo)準(zhǔn)燈，在距離光譜輻射計(jì)探測(cè)頭0.5 m處，校準(zhǔn)光譜輻射計(jì)在波長(zhǎng)380～780 nm間的光譜輻射照度的響應(yīng)度；被測(cè)燈到探頭距離為1 m，則被測(cè)燈輻射照度的光譜密集度Et，λ（λ）為：

式中：mt，λ（λ）為被測(cè)燈的光電讀數(shù)；Es，λ（λ）為標(biāo)準(zhǔn)燈在0.5 m處的輻照度的光譜密集度，ms，λ（λ）為相應(yīng)的光電讀數(shù)。在圖1中，把球面分成若干平行的球帶ΔSi（i＝1，2，…，n），每一個(gè)球帶又分成若干等分ΔSij（j＝1，2，…，m），在每一個(gè)小球面ΔSij處，測(cè)量被測(cè)光源在該球面上建立的輻照度的光譜密集度Et，λ（i，j），則光譜輻射通量的光譜密集度為［5］：

用測(cè)量裝置測(cè)量了OSHP LED-HW1大功率LED的輻射通量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。測(cè)量時(shí)采用等角度間隔法（Δθ＝5°），垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為（0°～360°）采樣間隔為5°，水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為（0°～180°）角度間隔為15°，共測(cè)量12個(gè)截面。

圖4 OSHP LED-HW1 LED輻射強(qiáng)度空間分布

圖5 OSHP LED-HW1 LED光譜輻射通量

4 光通量量值的比對(duì)

由測(cè)量得到的光譜輻射通量根據(jù)式（10）可計(jì)算得到總光通量［6］。

式中：Km為人眼最大光譜視效能，V（λ）為人眼明視覺(jué)光譜光視效率。

對(duì)GE 24V 250W-2＃射燈、12V／10W 0902溴鎢燈、OSHP HW 1 LED的輻射通量進(jìn)行了測(cè)量，將計(jì)算得到的總光通量與按照光度法測(cè)量測(cè)量得到總光通量的量值進(jìn)行比較，測(cè)量結(jié)果的偏差小于0.9%，見(jiàn)表1。

表1 輻射法與光度法測(cè)得的光通量量值比較

5 不確定度評(píng)估

陣列光譜輻射計(jì)的雜散光和非線性是引起測(cè)量誤差的主要因素［2］。非線性可通過(guò)非線性矯正技術(shù)予以減小。雜散光與光譜輻射計(jì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同波長(zhǎng)時(shí)亦不同，較難修正，目前僅NIST等少數(shù)實(shí)驗(yàn)室開展了基于激光的雜散光校正技術(shù)研究［7］。所用光譜輻射計(jì)的光柵的閃耀波長(zhǎng)在500 nm附近，因此光譜輻射照度在紅端和藍(lán)端的不確定度較大。測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)估見(jiàn)表2。

表2 輻射通量測(cè)量的不確定度評(píng)估（%）

6 結(jié) 語(yǔ)

使用總光譜輻射通量標(biāo)準(zhǔn)燈便可完成積分球和輻射計(jì)組合測(cè)試系統(tǒng)的輻射通量、光通量和顏色參數(shù)的同時(shí)校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了量值傳遞過(guò)程。項(xiàng)目所研制的變角輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)了光源的總光譜輻射通量的絕對(duì)測(cè)量，為建立相應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系及開展相對(duì)法量值傳遞奠定了基礎(chǔ)。

［1］ Ohno Y，Zong Y.NIST Facility for Total Spectral Radiant Flux Calibration［C］／／Symposium ofMetrologia. CENAM，Mexico：BIPM，2004，1－6.

［2］ Zong Y，Ohno Y.Realization of the NIST Total Spectral Radiant Flux Scale［C］／／Proceedings of 26th Session of the CIE.Beijing China：CIE，2007，179－182.

［3］ Ohno Y.Realization of NIST 1995 Luminous Flux Scale using Integrating Sphere Method［J］.IES，1996，25（1）：13－22.

［4］ Shaw M，Goodman T.Array-based goniospectroradiometer formeasurement of spectral radiant intensity and spectral total flux of light sources［J］.Applied Optics，2008，47（14），2637－2647.

［5］ 吳繼宗，葉關(guān)榮.光輻射測(cè)量［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992，179－180.

［6］ 劉慧，楊臣鑄.光度測(cè)量技術(shù)［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2011，17－18.

［7］ Zong Y，Brown S W，Johnson B C，et al.Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers［J］.Appl Opt，2006，45（6）：1111－1119.

Study on LED Total Spectral Radiant Flux Measurem ent Technology

LIU Hui1， ZHAOWei-qiang1， LIU Jian1， LIYi2， ZHAO Hai-su1
（1.National Institute ofMetrology，Beijing100029，China；
2.Shaanxi Institute of Metrology Science，Xi′an，Shaanxi710065，China）

The theory and method of measuring total radiant flux and total spectral radiant flux is described.The components and character of a goniospectroradiometer had been introduced.Three kind of light sources have been measured，themeasurement uncertainty is 1.6%～3.6%（k＝2）.Luminous flux calculated by the spectra radiant flux comparison with NIM′s photometric based luminous flux scale shows that agreement is within 0.9%，well within the combinedmeasurement uncertainty.

Metrology；Radiant flux；Spectral radiant flux；Goniospectroradiometer；Array-based spectral radiometer；LED

TB96

A

1000-1158（2014）06-0574-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．11

2013-10-25；

2014-03-24

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院體改啟動(dòng)項(xiàng)目（ATGQD07-1）

劉慧（1969－），女，陜西武功人，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院副研究員，主要從事光度計(jì)量測(cè)試的研究。liuhui＠nim.ac.cn