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标题: 分享积分球测试准确性的经验给你 [打印本页]

作者: angel 时间: 2016-2-16 13:54
标题: 分享积分球测试准确性的经验给你
　　目前业界对于LED光源及灯具的光色电性能快速测量，最常用的设备是积分球系统。作为一名专业第三方检测认证机构的测试人员，我们在与客户的交流过程中经常有客户会问到这样一个问题——选择什么样的积分球测试系统在设备稳定性及测试结果精准度方面更高？所以下面针对上述疑问，我非常乐意把我多年从事积分球系统检测的心得以及目前我司使用的积分球测试系统分享给大家，并把我们所碰到的疑惑罗列出来，做一下讨论，以资学习借鉴并释疑解惑。
　　这篇文章，我首先想从积分球涂料及系统校正用的标准灯两方面进行阐述；后续的文章我会再从辅助灯、测量计算方法、光谱仪、配套电学仪器、LM-79-08标准的要求、具体实现方法等方面来展开讨论。
　　在使用积分球进行光通量测量过程中，与普通光源不同，LED产品的光通量测量在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%(这一点尤其在国产设备上表现特别明显)。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。

　　图1 不同发光角度的不同LED测量时的影响
　　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无论是在外形上、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。
　　原因分析：
　　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。国内厂家积分球涂层主要采用氧化镁或硫酸钡，反射率仅可达到ρ=0.9左右，而且该涂料较容易受潮脱落及高温环境下氧化、变色，这些都会造成数据测试误差。目前我司使用的进口美国蓝菲积分球系统，其球体内壁喷涂蓝菲专利Spectraflect涂料，该涂层在可见光光谱范围内具有很高的反射率。在厚度0.5mm以上、波长400-1100nm之间时，反射率超过99%；在360nm-830nm的光谱范围内提供97%的反射率，并且能扩展至300-2400nm范围。其涂料反射率是目前国内积分球上使用的涂料性能所达不到的。低反射率的积分球表面导致的一个结果就是，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。而在某些条件下，低反射率材料会在某些条件下在挡板的后部探测器处产生强烈的阴影效应。而导致测量不准确的原因正是直的反射光和阴影效应。
　　另外较低的漫反射率对信号的衰减非常严重。由于光测量过程中，光在积分球内多次反射，每次反射都有一定的衰减，而反射率的高和低对光强的影响在多次反射后得以加强。以反射光在球内进行15次反射为例，如果两者的反射率相差5%，则信号的衰减可能会超过一倍以上。而实际上积分球内的反射率差别远远不止于此。
　　另外目前的积分球测试系统还没有用于仪器校正用的标准LED光源，在测量过程中，还是使用校准的稳定驱动的卤钨灯作为标准光源。由于标准灯的外形结构和待测LED的差别很大，LED支架对光有吸收效应，以及标准灯安装位置与LED安装位置的差别，这些也是影响测量结果准确性的重要因素。
　　解决方案及测试结果：
　　在目前的积分球测试系统中，为了克服以上这些问题，提高测试数据精准性，通常采用指定LED以特殊的安装方向进行测试，或者将系统设计成待测光源直接朝向探测端口或背向端口方式。但是一个角度无法解决所有问题，不同发光角度的LED的测试以及反射率等影响仍然需要解决。
　Labsphere公司在设计LED测量系统时，根据实际使用中对测量准确性的影响因素进行了全面优化，使系统对LED方向的敏感度降到最小。即在测量过程中，无须规定特殊的角度和方向。即使在极端条件下，使用极强方向性的LED，使用极端条件的放置方式的测量的结果仍然保持了良好的一致性。
　　Labsphere的LED测量系统严格按照CIE标准进行设计，积分球内表面涂层使用蓝菲专利技术的Spectralon@或Spectraflect@作为反射层，具有极高的反射率和良好的朗伯反射特性。在可见光范围内反射率分别大于99%和98%。图2为Labsphere公司的Spectroflex涂料的光谱漫反射曲线，从中可以看出，从380nm-780nm之间，基本上为一条直线，漫反射率非常稳定，而且接近于1。良好的反射材料可以保证更好地混合特性和均匀的光分布。另外在挡板的设计和探测端口的设计方面进行了优化，采用了漫射器的装置，最大限度地降低探测端口对直接反射光的敏感度。在球体内表面的结合部位进行了特殊的考虑。

　　图2 Labsphere涂料光谱漫反射率曲线图
　　该积分球测试系统采用了校准的卤钨灯作为标准灯，同时采用了辅助灯方案，用于补偿待测LED支架与标准灯支架差别对测量结果带来的影响。该标准灯在美国Labsphere公司的校准实验室内经过严格校准而来，该结果可溯源至NIST。该标准灯工作在恒定的色温3000K下，保持恒定的光输出通量，提供NIST溯源的光谱辐射通量数据。标准灯和辅助灯使用的电源为固定电流的固定功率的驱动方式，而不是可调式电源，这样可以最大限度地减小功率飘逸。长期稳定性好于0.02%，保证了光输出结果的可靠性。
　　在该系统条件下，针对前面叙述的LED测量结果准确性问题进行了针对性的测试。测试条件如下：采用高亮度LED，功率约0.35W，发光角度约30°。测试的流明值及误差结果如表1及图3所示。

　　表1 不同方位对应LED测量结果比较

　　图3 不同方位对应LED测量结果波动曲线
测量过程中所采用的不同测试方位如图4所示：

　　图4 LED不同测试方位的定义
　　结论
　　LED采用了9个测量方位，分别代表可能的LED放置方式。其中包含对探测器影响最小和最大的极端情况。从测量结果看，即使在最极端的情况下，即LED面向探测器开口处与LED背向开口处，光通量测量结果的峰峰值仍然小于5%。这是一个非常好的测试结果。在实际应用过程中，由于LED不会采取如此极端情况放置。在该测试中采用的是简易的测试支架，在包含定位误差的情况下，同一位置测量结果的光通量误差小于0.1%。实际测试过程中LED的光通量测量重复性误差远小于0.1%。由此可见Labsphere的LED光学性能系统测量结果可靠、稳定，会对产品的性能给予可靠的保证(图5为蚂标检测使用的积分球系统)。采用这样的测试系统可以对LED产品的研究、开发及生产起到极大支持作用，是LED行业光学性能测量的理想选择，其制作工艺及系统性能也是目前国产积分球所不能达到的。

　　图5 蚂标检测现使用的美国蓝菲积分球系统

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