用于大功率LED模塊光通量測試的積分球裝置及其測試方法的研究

陳 鵬,王海波,朱月華,肖勇強,卓寧澤

(1.國家輕工業電光源材料質量監督檢測中心，江蘇 南京 210015;2.南京工業大學電光源材料研究所，江蘇 南京 210015)

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用于大功率LED模塊光通量測試的積分球裝置及其測試方法的研究

陳 鵬1,王海波2,朱月華1,肖勇強2,卓寧澤2

(1.國家輕工業電光源材料質量監督檢測中心，江蘇 南京 210015;2.南京工業大學電光源材料研究所，江蘇 南京 210015)

對大功率LED模塊的光通量測試做了研究。針對積分球測試系統中，在系統裝置和測試方法上存在的爭議，通過理論分析提出了一個新的積分球系統測量裝置模型。通過實驗，驗證、修正了裝置的準確性，并對其測量原理、自吸收校正、系統的光通量定標、不確定度分析以及相關測試方法進行了研究和探討，對不同的樣品做了實驗，并給出了實驗結果。結果表明，積分球裝置便于改造，實驗數據符合照明設計的需求，為大功率LED模塊的光通量測量提供了新的、經濟、高效的解決方案。

大功率LED模塊;光通量測試;積分球;測試系統;測試方法

引言

LED相比傳統光源有更高的能效和更長的壽命，已日益成為多種照明應用的首選光源。大功率LED模塊是采用大尺寸LED芯片設計生產的，功率通常在1W及以上，可承受300mA以上的工作電流，輸出100lm以上的光通量，被廣泛應用于各類照明燈具中。在LED燈具的制造過程中，為了增加產量，實現準確的分級，從而降低制造的總成本，照明燈具的設計人員必須準確地知道LED模塊性能，因此光通量的檢測是必不可少的。而在測試一個普通照明用LED模塊(不帶整體式控制裝置的LED模塊簡稱為“LED模塊”[1])時，在特定的環境溫度和沒有散熱器的情況下，光通量由于受其工作時的結溫和熱阻的影響，無法保證檢測數據的穩定性、準確性和重現性[2]。

傳統光源的光通量測量通常采用分布式光度計或是積分球系統進行測量。分布式光度計在測量上比積分球系統更加準確，但其價格昂貴、設置苛刻、易受干擾、測量費時。積分球系統由于其價格便宜、測量速度快、無需暗室等優點，成為照明測量領域被廣泛使用的設備(其4π幾何結構如圖1所示)。然而LED模塊在積分球系統中測量其光通量，在系統裝置和測試方法上尚有爭議，如：(1)LED模塊光通量受其工作熱阻的影響無法穩定[3]；(2)沿用傳統光源的光通量測試方法在積分球內放置擋屏等物體，由于測試LED的積分球一般很小，積分球理論將無法滿足，從而造成測試原理性誤差[4]；(3)使用常規標準燈或是LED標準燈都無法準確的為待測LED做光通量定標[4]等。

圖1 傳統光通量測試的積分球4π幾何結構圖Fig.1 Traditional flux test of integrating sphere 4π geometry chart

本文對大功率LED模塊的光通量測試做了研究，通過理論分析提出了一個新的積分球系統測量裝置模型，通過實驗，驗證、提高了裝置的準確性，對其測量原理、自吸收校正、系統的光通量定標、不確定度分析以及相關測試方法進行了研究和探討，并對不同廠家的大功率LED模塊做了光通量測試，給出了在熱穩定溫度下的光通量測試結果。結果表明，積分球裝置便于改造，實驗數據適用于照明設計的需求，為大功率LED模塊的光通量測量提供了新的、經濟、高效的解決方案。

1 積分球裝置

光通量測試的積分球4π幾何結構圖(如圖2所示)：積分球(自制，直徑30cm)、光度探頭(經V(λ)校正和余弦校正)、光源支架(自制)、LED輔助燈、PT1000數字溫度計。

圖2 光通量測試的積分球4π幾何結構圖Fig.2 Flux test integrating sphere 4π geometry chart

1.1 積分球裝置介紹

1.1.1 積分球

積分球自制。選擇直徑較大的積分球，可確保擋板和自吸收造成的測量誤差在測試中不會很明顯，一般積分球直徑應取待測燈最大尺寸的10倍以上[5]。根據大功率LED模塊的通用產品尺寸，我們選擇直徑為30cm的積分球。積分球內壁涂層按照GB/T 15043—2008《白熾燈泡光電參數的測量方法》的要求，將漫反射比達96%以上的硫酸鋇涂料涂覆的在可見光區。在固定的左半球側中間位置開約50mm直徑的孔，用于安裝光源支架；側上方的位置，使得光度探頭與光源支架在球心位置形成的夾角約75°處，開約10mm直徑的孔，用于安裝光度探頭；在側下方的位置開約22mm直徑的孔，用于安裝輔助燈。為了更準確的測量積分球裝置內的自吸收效應，輔助燈選擇與被測LED的光譜分布類似的，發光穩定的LED燈珠。輔助燈的擋板須遮擋住其射向窗口和被測燈的直射光。

1.1.2 光源支架

光源支架自制，中心材質為銅(為了更好的散熱)，外包裹橡塑材料，可避免把模塊工作熱量傳遞到球壁，影響測試結果；也方便在外表面涂覆硫酸鋇，以增加球內空間的漫反射比，減小自吸收。支架頭設有LED模塊夾具座(如圖3所示)，螺絲可更換，以適應不同尺寸的LED模塊測試。側面貼有溫度傳感器，可監控LED模塊的工作溫度。為了不破壞球體內壁，盡可能地減小測量誤差，我們選擇將擋板裝在支架上，擋板直徑約20mm。

圖3 LED模塊夾具座Fig.3 LED module fixture seat

1.1.3 測試原理

待測光源在積分球裝置的光通量Φtest是通過與標準燈比較得到

(1)

其中Φstd是標準燈的光通量，Ytest和Ystd分別是待測光源和標準燈的光度計讀數，F是光譜失配校正系數，ɑ是自吸系數。

1.2 積分球裝置校準實驗

積分球測試的誤差系數主要有：空間響應度、空間修正系數、光譜失配校正系數、自吸收校正系數，若它們均接近1，且被測光源、標準光源和輔助光源在發光光譜、光通量及發光強度分布曲線上相似，則在測試結果的修正中，以上系數可忽略。

1.2.1 積分球空間響應度

試驗如圖4所示，積分球外設一個發光穩定的100W白熾燈泡，通過輔助燈入口入射進球，與球內光源支架上的5W鹵素燈發出的光進行比較，以獲得積分球的空間響應度。

圖4 積分球內部的空間響應度試驗Fig.4 Inside the integrating sphere of the space response test

在暗室中，打開外部光源，光通量可表示為：

(2)

其中Ev是入射孔的照度，S0是入射孔徑的面積，光度計接收到的光電流信號是Yext。關閉外部光源，打開內部光源后，光通量可表示為：

(3)

其中Yint是光度計接收到的光電流信號，Rs是校正因子，它來源于積分球的空間響應。若假設積分球有完全均勻的空間響應，考慮到入射孔照度的不均勻性，由式(2)、式(3)可得：

(4)

其中Ki是入射孔照度不均勻性的校正因子。通過試驗計算，積分球空間響應度為0.98。

1.2.2 積分球內空間修正系數

為了確定球內空間修正系數，考慮到4π測量時LED模塊發光的方向性，積分球的空間響應分布函數(SRDF)必須被表征。SRDF中K(θ,φ)是由旋轉束型光源在積分球內球心位置向(θ,φ)投射定量窄光束，被球內壁多次漫反射后，光度計的讀數(如圖5所示)?？紤]到LED窄光束的特性，我們選擇用單色LED來測試。在測試中，我們注意到藍光和紅光的LED，其波段的V(λ)值很小，使得對應的光譜相對靈敏度誤差偏大，而綠光LED則相對穩定，因此在積分球側面50mm孔徑中心，我們將一已知相對發光強度的綠光LED置于一個鋁管內(內面涂黑，光束角約10°)，每5°間隔變換θ角，每30°間隔變換φ角旋轉掃描[6]。

圖5 積分球內SRDF測試示意圖Fig.5 Schematic integrating sphere SRDF test

由圖2可知，光源的反射光來源于積分球的垂直面，因此只需測量垂直方向的空間響應分布?；诠舛忍筋^接收到的光圈的面積，旋轉測量的角度定在±65°。測量結果歸一后，K′(θ,φ)可表示為：

(5)

可設定K(0,0)為單位1，計算測量結果如圖6所示(其中負角度表示探頭的側面和球體的下半部分)。由圖6可見，在積分球的垂直方向空間響應分布相對均衡，測試誤差偏小。

圖6 積分球在垂直方向的空間響應分布Fig.6 Integrating sphere in the vertical direction of spatial distribution of response

積分球內空間修正系數KSRDF可表示為：

(6)

其中Irel(θ,φ)是被測燈的相對發光強度分布。通過試驗計算，積分球內空間修正系數約為1.005。

1.2.3 光譜失配校正系數

光度計的光譜響應度無法完全與V(λ)函數匹配，當被測LED的光譜能量分布與標準燈不一樣時，就會出現光譜失配誤差，其校正系數F用公式表示為：

(7)

其中Sstd(λ)是標準光源的光譜分布，Srel(λ)是球體系統的相對光譜響應度，V(λ)是光譜發光效能?？紤]到積分球裝置是設計為大功率LED模塊的光通量測試，被測光源、標準光源與輔助光源均選擇有類似光譜分布的LED模塊。在本項測試中，選擇測量一個白光LED模塊以計算得到的修正系數約為1.01。

1.2.4 自吸收校正系數

若被測光源與標準光源的類型和尺寸有差異，則積分球須考慮自吸收校正。在本裝置中，被測光源、標準光源和輔助光源在發光光譜、光通量及發光強度分布曲線上相似，且選擇經江蘇省計量院校準后，系列量值穩定的大功率LED模塊做為量值傳遞光源，因此自吸校正系數可忽略。

1.2.5 光度計的位置修正

在傳統的4π結構積分球的光通量測試中(如圖1所示)，光源與光度探頭在同一平面內成90°放置，以此測試的數據為基準，在同平面內的0°～90°間，每10°變換光度探頭的位置，對一可穩定發白光的LED模塊做光通量的測試，光度計的位置與光通量變化的關系如圖7所示。

圖7 光度計位置與光通量變化的關系Fig.7 Relationship with the flux changes and photometer position

如圖7可見，在光度計與光源在同一平面的夾角成75°～90°間，其光通量變化最接近0，在測試結果中可忽略?？紤]到光度計在積分球裝置上的安裝便利，光度計的位置選擇在積分球側面，與光源支架頭成75°偏上的夾角處。

2 測試方法

2.1 測試系統工作結構圖(如圖8所示)

圖8 測試系統工作結構圖Fig.8 Work structure of the test system

2.2 測試步驟示意圖(如圖9所示)

圖9 測試步驟示意圖Fig.9 Schematic test procedure

2.3 測試部分

2.3.1 儀器與樣品

儀器：經過計量的直流穩流穩壓源、積分球裝置、光譜測試系統、智能電量測量儀。

待測光源樣品：6個不同廠家的1W白光LED模塊，標準光源：3個1W白光的光通量標準LED燈珠，輔助燈：1W白光LED燈珠。

2.3.2 系統光通量定標

設標準LED燈珠的光通量值為Φstd，依次將標準光源在積分球裝置內進行光通量測試后，取3個標樣的光通量平均值Φave，系統光通量的示值誤差可表示為

(8)

其中Φstd取最大值。

2.3.3 系統光通量測量不確定度分析

LED光通量測量中，不確定度的主要來源有：由重復性測量引起(u1)、由測量儀器引起(u2)、由光通量標準燈的量值引起(u3)[7]?；诖?，系統光通量測量不確定度分量如表1所示。

由于以上3個分量互不相關，因此合成的不確定度為

(9)

取k=2，則相對擴展不確定度為

(10)

因此，系統光通量的測量取值范圍為 [-1.1%，1.1%]。

2.3.4 樣品測試

將6個LED樣品分別裝在光源支架上(散熱面積相同)，在350mA電流下進行測試，測試步驟及相關試驗條件的要求參照GB/T 24824標準，其中LED工作的熱系數(結溫、K系數、熱阻)的測量方法基于文獻[2]的推薦。測試/計算測試樣品在穩定的工作溫度下的光通輸出的衰減比例，結果如表2所示。

表2 樣品在熱穩定溫度下的光衰Table 2 Light fades sample at thermal stability temperature

3 結論

由于LED模塊光通量受其工作溫度的影響，因此在LED模塊應用于照明燈具時，照明燈具的設計人員需準確知道其在已知的散熱面積和穩定的工作溫度下的光通量，以用于燈具的設計。本文針對傳統的積分球系統在測量大功率LED模塊光通量的過程中，在系統裝置和測試方法中出現的爭議，做了系統性研究，提出了一個新的積分球系統測量裝置模型，給出了測試方法，對其測量原理、自吸收校正、系統的光通量定標、不確定度分析以及相關測試方法進行了研究和探討。通過實驗，驗證、修正了裝置的準確性，對樣品做了測試，給出了實驗結果。結果表明，積分球裝置便于改造，實驗數據適用于照明設計的需求，為大功率LED模塊的光通量測量提供了新的、經濟、高效的解決方案。

[1] 潘建根,李倩,伍德輝,等.GB/T 24824—2009普通照明用LED模塊測試方法[S].北京:中國標準出版社,2010.

[2] 陳鵬,劉光熙.普通照明用LED模塊熱測量的分析和探討[J].南京師范大學學報(工程技術版),2013,13(2):18-21.

[3] Tomas D, Paolo T, Lukas V, et al. Comparison of constanst and temperature dependent blood perfusion in temperature prediction for superficial hyperthermia[J].Radio Engineering,2010, 19(2): 281-289.

[4] 呂正.LED光通量測試中的若干問題[J].中國照明電器,2005,12:29-30.

[5] 林曉瓏,張鐵強,郭山河.汽車車燈光通量測試系統的研制[J].光學 精密工程,1998,6(4):132-134.

[6] 李振國,王岑娥,徐曉光.一種用積分球實現總光通量標的新方法[J].現代計量測試,1998,2:59-61.

[7] 陳萍.自鎮流LED燈光效測量不確定度評定[J].現代測量與實驗室管理,2013,4:30-31.

[8] 劉洪興,任建偉,李憲圣,等.基于LightTools的大口徑積分球輻射特性仿真[J].紅外與激光工程,2013,42(4):960-965.

Integrating Sphere Device and Test Methods of the Flux Test of Power LED Modules for Research

Chen Peng1,Wang Haibo2,Zhu Yuehua1,Xiao Yongqiang2,Zhuo Ningze2

(1.TheNationalLightIndustryElectronicLightSourceMaterialsQualitySurveillanceExaminestheCenter，Nanjing210015，China;2.TheResearchInstituteofElectricLightSourceMaterialsofNanjingUniversityofTechnology，Nanjing210015，China)

In this paper, it researches the flux testing methods for high-power LED modules. Since there are controversies between the system device and test methods, through theoretical analysis a new model is proposed for integrating sphere system measuring device. The accuracy of the device was validated and corrected through experiments. Its measurement principle, self-absorption correction, system flux calibration, uncertainty analysis and related test method have been studied and discussed. Experiments were conducted with different samples and the results were generated. The results show that integrating sphere device is easy for modification and the experiment data are consistent with the lighting design needs. It provides a new and cost-effective solution for the high power LED module’s flux measurements.

high-power LED modules; flux test; integrating sphere; test systems; test method

科技型中小企業技術創新基金補助資金項目(13C26243202133)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.004