孫浩杰+李夢遠(yuǎn)+莊杰+李柏承+張大偉+楊衛(wèi)橋
摘要: 針對LED器件光強分布的測試方法,在傳統(tǒng)光源配光曲線的測試原理的基礎(chǔ)上,闡述了旋轉(zhuǎn)法、多探測器法測試LED光強分布的方法。由于這些方法存在測試時間長、測量準(zhǔn)確度低以及定標(biāo)繁瑣的缺陷,進(jìn)而介紹了一種新型測試方法及裝置,即通過CCD光度探測器接收光強度,經(jīng)過CCD的光電轉(zhuǎn)換功能將光強度信號轉(zhuǎn)換為電信號,再通過成像系統(tǒng)軟件便可得到整個半球面空間內(nèi)壁的光強圖。新的測試方法具有測試速度快、精度高、信息量豐富和直觀性的顯著優(yōu)點。
關(guān)鍵詞: 發(fā)光二極管(LED); 配光曲線; 光強分布
中圖分類號: TN 36文獻(xiàn)標(biāo)志碼: Adoi: 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.019
引言LED(發(fā)光二極管)作為最新型的第四代照明光源逐漸被應(yīng)用于普通的照明領(lǐng)域,不同于傳統(tǒng)照明光源,無論是LED的發(fā)光原理還是LED的發(fā)光特性,甚至包括其發(fā)光驅(qū)動特性以及光源結(jié)構(gòu),都有著顯著的差別。由于LED的特殊性,對于LED光強分布的特性測試,需采取相應(yīng)的測試方法和技術(shù)[12]。由于目前國內(nèi)業(yè)界缺乏明確的LED發(fā)光強度標(biāo)準(zhǔn),造成LED光強分布測試技術(shù)的滯后。現(xiàn)有的LED光強分布特性的測試,往往采用傳統(tǒng)光源配光曲線的測試方法,將LED視為一個點光源,回避了LED光源特性測試方面存在的技術(shù)難題。該方法得到的結(jié)果并不能真正反映LED獨特照明原理的發(fā)光特性。如何準(zhǔn)確測量LED空間光強分布方法[3]以及獲得LED空間光強分布三維圖成為當(dāng)今業(yè)界研究的重點課題。目前普遍使用的傳統(tǒng)配光曲線[45]大多采用旋轉(zhuǎn)的方法測試,能夠準(zhǔn)確得到在一個二維平面上光源的光強分布曲線。然而,要正確反映LED器件的發(fā)光強度的空間分布特性僅僅一個或幾個平面的配光曲線圖是不夠的。本文著重介紹三種LED光強分布測試方法。其中旋轉(zhuǎn)法是由傳統(tǒng)配光曲線的原理擴展而來,現(xiàn)在已有廠家依照該原理生產(chǎn)能夠測試LED空間光強分布曲線的儀器;多探測器法則是現(xiàn)在國內(nèi)新的科研成果,可以實現(xiàn)LED光源光強分布的快速測試,其特點是測速快、精度高、信息量豐富,較旋轉(zhuǎn)法更具時實性與直觀性,同時還介紹一種國外新型的測試方法[6]。1三種方法研究進(jìn)展及優(yōu)缺點對比傳統(tǒng)配光曲線測試一般可分為兩種:一種是LED固定不動,接收光線的光度探測器圍繞它旋轉(zhuǎn)掃描;另外一種是光度探測器不動,LED圍繞封裝外殼的頂點作旋轉(zhuǎn)掃描。圖1是典型的配光曲線測試原理圖,采用的是將光度探測器固定不動,令LED繞探測器旋轉(zhuǎn),隨著LED的旋轉(zhuǎn),光度探測器即時接收其光強。由此,LED旋轉(zhuǎn)180°之后可以得到整個平面上LED的光強度的分布、其準(zhǔn)確度取決于探測器獲取LED光強的頻率以及探測器的接收靈敏度。
1.1旋轉(zhuǎn)法(1)原理方法在舊式配光曲線測試方法的基礎(chǔ)上,若是多增加一個軸旋轉(zhuǎn),就可以人為設(shè)定依次獲得多個不同角度的配光曲線,再通過數(shù)據(jù)整合傳入計算機,利用軟件將其模擬化,就能形成一個空間三維的LED光強分布圖像[7]。旋轉(zhuǎn)法原理如圖2所示。旋轉(zhuǎn)法是在傳統(tǒng)配光曲線測試方法基礎(chǔ)上,增加了一個C軸,該C軸是LED光軸物理中心到探測器中心的連線。在測量時,C軸不旋轉(zhuǎn),V軸做180°的旋轉(zhuǎn),可獲得一個平面LED配光曲線圖。然后再旋轉(zhuǎn)C軸一固定角度(測量者可自行制定該分度),再次固定C軸,旋轉(zhuǎn)V軸,這樣又可以獲得另外一個不同角度平面上的配光曲線。經(jīng)過多次測量(測量次數(shù)與制定C軸旋轉(zhuǎn)分度大小有關(guān))可得出整個空間中多個平面的配光曲線,再經(jīng)過計算機整合,即可以得到完整的空間光強分布曲線。該方法是基于先測試平面的光強分布曲線,再設(shè)定一個旋轉(zhuǎn)軸,并且通過360°的旋轉(zhuǎn),經(jīng)多個角度多次測量來獲得整個空間光強分布的目的。另外一種旋轉(zhuǎn)法如圖3所示,同樣是通過設(shè)置兩個旋轉(zhuǎn)軸,得到多個不同角度平面的配光曲線圖,整合成一個空間光強分布曲線。該方法是CIE(國際發(fā)光照明委員會)推薦的測試小功率發(fā)光器件的光強分布測試方法。
該方法中,發(fā)光器件安裝在垂直軸線和水平軸線的交點處,因此可以設(shè)置兩個方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺,并使該轉(zhuǎn)臺的垂直軸線固定,水平軸線可以移動,探測器被固定在離發(fā)光器件一定距離的位置上。測試過程中,由電機驅(qū)動垂直軸旋轉(zhuǎn),光度探頭測量發(fā)光器件在水平面上各方向的發(fā)光強度或照度值,由此可以獲得發(fā)光器件在此平面上的發(fā)光強度或照度的分布曲線[8]。當(dāng)一個平面測量完畢,由電機驅(qū)動水平軸使發(fā)光器件轉(zhuǎn)過一個設(shè)定的角度,然后再測量當(dāng)前平面上的發(fā)光強度或照度值并獲得該平面的分布曲線。因此,隨著發(fā)光器件水平軸的間歇運動和垂直軸往復(fù)旋轉(zhuǎn),最終可以實現(xiàn)發(fā)光器件在各個方向上的發(fā)光強度或照度的分布特性的測量。(2)旋轉(zhuǎn)測量方法優(yōu)缺點旋轉(zhuǎn)法是現(xiàn)今使用最廣泛的一種測量LED光強空間分布的方法,其使用操作方便,測量準(zhǔn)確性高,并且測量儀器容易制造,定標(biāo)簡單,儀器成本比較低廉。但其有一個不可忽視的缺點是測試時間長,在傳統(tǒng)配光曲線測試時,為了在180°范圍內(nèi),需要設(shè)置許多測試點,測試時間需2~3 min。擴展到旋轉(zhuǎn)法測試時,由于需要測量多個平面的光強分布,所以需要更多測試點,測試時間更長。若想要得到更精確的光強分布圖,就要將測試間隔分度定的更小,導(dǎo)致測量次數(shù)更多,使測量難以完成。測量時間過長也會導(dǎo)致測得的光強分布的各個強度值并不是在同一個時間點上得到。由于LED輸出通常隨著時間變化不能保證穩(wěn)定,尤其如果存在溫度以及輸入功率波動,將導(dǎo)致其輸出光強變化較大,所得到的光強分布曲線可能存在較大誤差。
1.2多探測器快速法(1)原理方法為了克服旋轉(zhuǎn)法測試時間過長的缺點,任豪等研究了一種帶有多個探測器的LED光強分布測試儀[1],其原理如圖4所示。
該儀器將光源固定于樣品座上,測試環(huán)境在一個密封黑箱中,采用多路光度探測單元組成(平均分布在同一圓周)的半圓形180°的整合探測器,同時在固定LED光源的底座上增加了一個旋轉(zhuǎn)機構(gòu),可以進(jìn)行多路并行的測試,通過固定光源架的轉(zhuǎn)動角度α(在水平面XY平面上,待測樣品相對水平線X所旋轉(zhuǎn)的角度),依次轉(zhuǎn)動待測LED并測試不同轉(zhuǎn)角的配光曲線,組合可以得到i條配光曲線(i=180/α),再進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理,可以得到其三維光強空間分布的立體圖和半強度角(發(fā)光強度等于最大發(fā)光強度一半的位置構(gòu)成的角度為半強度角)。所得到的三維立體圖可以很好地反映LED空間分布的特性[9]。多探測器的測量方法采用多個光度探測器同步測試,以取代傳統(tǒng)的一個光路探測器多路測試的旋轉(zhuǎn)法,其可在0.2 s內(nèi)一次性獲得LED光源的二維光強空間分布(配光曲線),并且可以通過增加旋轉(zhuǎn)機構(gòu),固定探測器旋轉(zhuǎn)待測光源,依次測量并獲得不同旋轉(zhuǎn)角度的二維空間光強分布曲線,進(jìn)而獲得三維空間光強分布曲線。(2)多探測器測量方法的優(yōu)缺點多探測器測量方法實用、準(zhǔn)確、快速,解決了旋轉(zhuǎn)測試時間長、效率低兩大難題,提高了測試效率,減少人為誤差。但是由于是采用多個光度探測器組合成一個整體的180°半圓形探測器,其制作成本比較高,并且若是其中有一個探測器失效或是定標(biāo)錯誤,將會影響整體測量精度,故在測試準(zhǔn)備和定標(biāo)方面比較繁瑣。
1.3基于CCD的測試方法該方法利用CCD圖像傳感器來做采光探測器,以很高的準(zhǔn)確度獲取整個LED光球面的光強成像圖,再通過計算機軟件分析,最終可以得到更精確的LED三維光強分布圖。
(1)基本原理與結(jié)構(gòu)該測試方法結(jié)構(gòu)如圖5所示。待測的LED發(fā)光器件被固定在半圓球室的中心處,在半球形測量腔的內(nèi)表面涂上一層漫反射涂料,在靠近半球中心處裝了一個凸面的反射鏡,在反射鏡和LED間安裝一隔板用以隔離LED直射的光線,CCD成像光度計安置在反射鏡的正上方[10]。測量時,LED燈在半球面內(nèi)發(fā)射出光,通過半球壁的漫反射涂料均勻反射于半球內(nèi)表面上。 如圖6所示,此時半球腔內(nèi)壁不同位置所反射的LED光強強度不同。由于LED和凸面反射鏡之間存在擋光板的作用,凸面反射鏡不會直接受到LED光線的影響。此時,CCD可以通過發(fā)射鏡接收到整個半球面內(nèi)壁的圖像,如圖7所示。
CCD光度探測器可以接收到凸面反射鏡上所反射的整個半球體內(nèi)壁的圖像。由于半球面內(nèi)壁不同位置上的光強強度不同,則CCD接收到半球體內(nèi)壁表面各處的光信號也有所不同。通過CCD的光電轉(zhuǎn)換功能將所接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號導(dǎo)入計算機中,由計算機軟件進(jìn)行分析形成模擬的凸反射鏡成像的二維圖形,再通過計算機軟件,進(jìn)一步對該二維圖形每一坐標(biāo)所對應(yīng)的光強度以及二維圖坐標(biāo)系每一坐標(biāo)所對應(yīng)的半球面內(nèi)表面具體位置進(jìn)行分析,以及通過對光強度的準(zhǔn)確定標(biāo),就可以獲得LED在整個空間內(nèi)精確的空間光強分布圖。(2)測試結(jié)果模擬圖及分析通過CCD光度探測器接收到的光強度,以及經(jīng)過CCD的光電轉(zhuǎn)換功能將光強度信號轉(zhuǎn)換為電信號,再通過成像系統(tǒng)軟件可以得到呈現(xiàn)在凸面反射鏡上的整個半球面空間內(nèi)壁的光強圖,該圖是一個二維的帶有坐標(biāo)系的成像圖。該模擬結(jié)果如圖8所示。這種成像示意圖類似于雷達(dá)獲取的圖像,一個圓形的坐標(biāo)對應(yīng)著整個半球形內(nèi)壁,其圖像在不同坐標(biāo)下有不同的顏色,通過準(zhǔn)確的定標(biāo),可以了解到每種顏色表示的光強度值。其定標(biāo)可以參考CIE(國際發(fā)光照明委員會)所制定的顏色與光強度對比表,如圖9所示。由此可知,采用這一種新型光強分布測試方法,所得到的空間光強分布曲線很直觀,具有很強的立體感,可以很好地反映LED發(fā)光器件的三維空間光強分布特性。該測試方法的特點是測試速度快,測試精度高,結(jié)果圖包含的信息量豐富并更具直觀性和實用性。
2展望雖然在LED光強測試領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步,但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步探索和研究。目前的LED光強測試裝置和方法主要有:1)操作簡單化,但存在測量時間冗長的旋轉(zhuǎn)法測量;2)縮短測試時間以提高測試效率的多探測器快速測量法,但仍存在定標(biāo)繁瑣的弊端;3)測試結(jié)果直觀性更好的CCD和圖像處理軟件結(jié)合的測量方法等。隨著CCD光度探測器技術(shù)的不斷發(fā)展,智能化、高精度化已成為LED光強測量裝置發(fā)展的新方向,用戶可以根據(jù)測試任務(wù)需求來選擇儀器的測試性能和測試精度。通過采用CCD可以使測量準(zhǔn)確度得到進(jìn)一步提升,并且和圖像處理軟件的結(jié)合,為LED光強測量技術(shù)提供了一個新的思路。3結(jié)論本文綜述了旋轉(zhuǎn)法、多探測器測量法以及基于CCD的測量法的研究進(jìn)展,總結(jié)了三種方法各自的優(yōu)缺點。經(jīng)過分析,本文認(rèn)為,基于CCD的測量法,具有測試速度快,精度高,信息量豐富,測試結(jié)果立體感好的顯著優(yōu)勢,是未來的主流方向,而且由于CCD產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)一步的發(fā)展中,CCD的測量精度也不斷提高,該測量方法所得到的結(jié)果將更加精確,更具實用性。
參考文獻(xiàn):
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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.
1.3基于CCD的測試方法該方法利用CCD圖像傳感器來做采光探測器,以很高的準(zhǔn)確度獲取整個LED光球面的光強成像圖,再通過計算機軟件分析,最終可以得到更精確的LED三維光強分布圖。
(1)基本原理與結(jié)構(gòu)該測試方法結(jié)構(gòu)如圖5所示。待測的LED發(fā)光器件被固定在半圓球室的中心處,在半球形測量腔的內(nèi)表面涂上一層漫反射涂料,在靠近半球中心處裝了一個凸面的反射鏡,在反射鏡和LED間安裝一隔板用以隔離LED直射的光線,CCD成像光度計安置在反射鏡的正上方[10]。測量時,LED燈在半球面內(nèi)發(fā)射出光,通過半球壁的漫反射涂料均勻反射于半球內(nèi)表面上。 如圖6所示,此時半球腔內(nèi)壁不同位置所反射的LED光強強度不同。由于LED和凸面反射鏡之間存在擋光板的作用,凸面反射鏡不會直接受到LED光線的影響。此時,CCD可以通過發(fā)射鏡接收到整個半球面內(nèi)壁的圖像,如圖7所示。
CCD光度探測器可以接收到凸面反射鏡上所反射的整個半球體內(nèi)壁的圖像。由于半球面內(nèi)壁不同位置上的光強強度不同,則CCD接收到半球體內(nèi)壁表面各處的光信號也有所不同。通過CCD的光電轉(zhuǎn)換功能將所接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號導(dǎo)入計算機中,由計算機軟件進(jìn)行分析形成模擬的凸反射鏡成像的二維圖形,再通過計算機軟件,進(jìn)一步對該二維圖形每一坐標(biāo)所對應(yīng)的光強度以及二維圖坐標(biāo)系每一坐標(biāo)所對應(yīng)的半球面內(nèi)表面具體位置進(jìn)行分析,以及通過對光強度的準(zhǔn)確定標(biāo),就可以獲得LED在整個空間內(nèi)精確的空間光強分布圖。(2)測試結(jié)果模擬圖及分析通過CCD光度探測器接收到的光強度,以及經(jīng)過CCD的光電轉(zhuǎn)換功能將光強度信號轉(zhuǎn)換為電信號,再通過成像系統(tǒng)軟件可以得到呈現(xiàn)在凸面反射鏡上的整個半球面空間內(nèi)壁的光強圖,該圖是一個二維的帶有坐標(biāo)系的成像圖。該模擬結(jié)果如圖8所示。這種成像示意圖類似于雷達(dá)獲取的圖像,一個圓形的坐標(biāo)對應(yīng)著整個半球形內(nèi)壁,其圖像在不同坐標(biāo)下有不同的顏色,通過準(zhǔn)確的定標(biāo),可以了解到每種顏色表示的光強度值。其定標(biāo)可以參考CIE(國際發(fā)光照明委員會)所制定的顏色與光強度對比表,如圖9所示。由此可知,采用這一種新型光強分布測試方法,所得到的空間光強分布曲線很直觀,具有很強的立體感,可以很好地反映LED發(fā)光器件的三維空間光強分布特性。該測試方法的特點是測試速度快,測試精度高,結(jié)果圖包含的信息量豐富并更具直觀性和實用性。
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(1)基本原理與結(jié)構(gòu)該測試方法結(jié)構(gòu)如圖5所示。待測的LED發(fā)光器件被固定在半圓球室的中心處,在半球形測量腔的內(nèi)表面涂上一層漫反射涂料,在靠近半球中心處裝了一個凸面的反射鏡,在反射鏡和LED間安裝一隔板用以隔離LED直射的光線,CCD成像光度計安置在反射鏡的正上方[10]。測量時,LED燈在半球面內(nèi)發(fā)射出光,通過半球壁的漫反射涂料均勻反射于半球內(nèi)表面上。 如圖6所示,此時半球腔內(nèi)壁不同位置所反射的LED光強強度不同。由于LED和凸面反射鏡之間存在擋光板的作用,凸面反射鏡不會直接受到LED光線的影響。此時,CCD可以通過發(fā)射鏡接收到整個半球面內(nèi)壁的圖像,如圖7所示。
CCD光度探測器可以接收到凸面反射鏡上所反射的整個半球體內(nèi)壁的圖像。由于半球面內(nèi)壁不同位置上的光強強度不同,則CCD接收到半球體內(nèi)壁表面各處的光信號也有所不同。通過CCD的光電轉(zhuǎn)換功能將所接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號導(dǎo)入計算機中,由計算機軟件進(jìn)行分析形成模擬的凸反射鏡成像的二維圖形,再通過計算機軟件,進(jìn)一步對該二維圖形每一坐標(biāo)所對應(yīng)的光強度以及二維圖坐標(biāo)系每一坐標(biāo)所對應(yīng)的半球面內(nèi)表面具體位置進(jìn)行分析,以及通過對光強度的準(zhǔn)確定標(biāo),就可以獲得LED在整個空間內(nèi)精確的空間光強分布圖。(2)測試結(jié)果模擬圖及分析通過CCD光度探測器接收到的光強度,以及經(jīng)過CCD的光電轉(zhuǎn)換功能將光強度信號轉(zhuǎn)換為電信號,再通過成像系統(tǒng)軟件可以得到呈現(xiàn)在凸面反射鏡上的整個半球面空間內(nèi)壁的光強圖,該圖是一個二維的帶有坐標(biāo)系的成像圖。該模擬結(jié)果如圖8所示。這種成像示意圖類似于雷達(dá)獲取的圖像,一個圓形的坐標(biāo)對應(yīng)著整個半球形內(nèi)壁,其圖像在不同坐標(biāo)下有不同的顏色,通過準(zhǔn)確的定標(biāo),可以了解到每種顏色表示的光強度值。其定標(biāo)可以參考CIE(國際發(fā)光照明委員會)所制定的顏色與光強度對比表,如圖9所示。由此可知,采用這一種新型光強分布測試方法,所得到的空間光強分布曲線很直觀,具有很強的立體感,可以很好地反映LED發(fā)光器件的三維空間光強分布特性。該測試方法的特點是測試速度快,測試精度高,結(jié)果圖包含的信息量豐富并更具直觀性和實用性。
2展望雖然在LED光強測試領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步,但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步探索和研究。目前的LED光強測試裝置和方法主要有:1)操作簡單化,但存在測量時間冗長的旋轉(zhuǎn)法測量;2)縮短測試時間以提高測試效率的多探測器快速測量法,但仍存在定標(biāo)繁瑣的弊端;3)測試結(jié)果直觀性更好的CCD和圖像處理軟件結(jié)合的測量方法等。隨著CCD光度探測器技術(shù)的不斷發(fā)展,智能化、高精度化已成為LED光強測量裝置發(fā)展的新方向,用戶可以根據(jù)測試任務(wù)需求來選擇儀器的測試性能和測試精度。通過采用CCD可以使測量準(zhǔn)確度得到進(jìn)一步提升,并且和圖像處理軟件的結(jié)合,為LED光強測量技術(shù)提供了一個新的思路。3結(jié)論本文綜述了旋轉(zhuǎn)法、多探測器測量法以及基于CCD的測量法的研究進(jìn)展,總結(jié)了三種方法各自的優(yōu)缺點。經(jīng)過分析,本文認(rèn)為,基于CCD的測量法,具有測試速度快,精度高,信息量豐富,測試結(jié)果立體感好的顯著優(yōu)勢,是未來的主流方向,而且由于CCD產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)一步的發(fā)展中,CCD的測量精度也不斷提高,該測量方法所得到的結(jié)果將更加精確,更具實用性。
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