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刘木清教授

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新型LED光通量测试系统及其误差分析 

    2013年9月14-16日,由中国照明学会主办的“2013年中国照明论坛-LED照明产品设计、应用与创新论坛”在中山小榄盛大召开!《新型LED光通量测试系统及其误差分析》是此次论坛论文集精彩内容,作者:周小丽 甘媛媛 刘木清  

    1 引言

  由于LED潜在的高光效,长寿命,体积小,环保等特点,它在普通照明领域的应用发展迅速,有取代传统光源的趋势。光通量数据不仅对于确定LED的光效十分重要,而且在LED的市场化推广和替代传统光源的进程中是不可或缺的。因此需要一种精确并且简单易行的光通量测试方法。

  目前用于测量LED光通量的方法可以分为绝对法和相对法两种。绝对法一般采用分布光度计测试光源发光强度的空间分布,然后通过软件积分计算总光通量。绝对法相对准确,但是测试耗时长,设备复杂,维护费用高。相对法是将被测LED与总光通量已知的标准光源进行比较得到总光通量的方法,常用仪器是积分球。这种方法简单快速,但是需要被测灯和标准灯有相似的光谱功率分布。另外,由于LED不同于传统光源,光强随角度变化较大,不同型号的LED配光差异性也很大,当被测灯和标准灯的空间光强分布不同时,会带来空间不均匀性误差。而且当积分球体积较小时自吸收效应严重,测量误差较大。采用大体积积分球可以获得相对准确的结果,但是体积过大,不便于产业化应用。

  本文研制的新型LED光通量测试仪采用复合抛物面收集器对LED光源发出的光进行收集,然后用大面积硅光二极管对出射光进行探测。为了验证该测试仪的可行性,利用新型测试仪对白光和绿光两组,共8颗大功率LED进行测量,然后和分布光度计测得的光通量进行对比,相对误差在±3.5%范围内。并且采用创新的测量方法对造成误差的原因进行了分析。

  2新型LED光通量测试仪

  本文采用利用复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator-CPC)的LED光通量测试方法建立了光通量测试仪CPC-01。采用CPC的光通量测试系统体积小,CPC反光碗的体积长度约4cm,直径约7mm。而且测试快,LED稳定以后可以立即读取数据[3]。相比较而言,在空间上,分布光度计需要一个黑色密室,传统积分球的直径至少20cm,而且积分球体积越小,误差越大;在时间上,分布光度计整个测试过程至少2小时。

  2.1 CPC用于光通量测试的原理

  CPC是根据边缘光学原理设计的非成像聚光器。常用于太阳能收集 。由抛物线的光轴绕自己的焦点旋转一定角度,再经过平移、对称得到二维的CPC,然后绕对称轴旋转而形成三维CPC[4]。如下图所示:

  图1 柱坐标中CPC示意图及其参数

 

  上图中φ为可变参数,α’为出口直径,r 为入口半径。θmax为最大入射角。采用柱坐标系的轮廓线方程为:

  只要从入射口入射的光线相对CPC中心轴的偏角小于θmax,就可以经过最多一次反射到达出射口,起到会聚光线的作用。对于相对中心轴偏角小于θmax的入射光线来说,能量收集率是最高的。

  根据光学可逆原理,本文将LED光源放在CPC的出射口,光源发出的光线必然经过反射,从入射口出射。同时出射光线的最大角为θmax,这样CPC就起到了聚光的作用。同时,几乎所有光线最多只经过一次反射到达入射口,因此这种CPC的光线利用率会大大的高于其他类型的聚光器。

  本文所述测试仪中CPC采用出光角为20°的CPC反光碗,焦距f为4.7mm,出射口的直径2a’为7mm,入射口2r的直径为20mm。在CPC和硅光探测器之间加衰减片,余弦修正片和V(λ)修正片。采用tracepro模拟朗伯体LED光源进行仿真参数设置如下:CPC内壁涂层反射率98%。衰减片直径为30mm,厚度2mm,对所有波长光线的透过率为10%,吸收率90%,衰减片的作用是为了保证出射光完全落在光电池的探测范围之内,并且减小V(λ)修正片的反射光的影响。V(λ)修正片直径30mm,厚度6.5mm,反射率为5%。余弦修正片直径同样为30mm,厚度2mm,利用ABg BSDF(双向散射分布函数)模型对其体散射性能进行描述,总的BTDF设为99%。探测器的面积为40mm*40mm 对所有波长反射率均为 15% 。如图2示:

  对不同入射角度的单根光线进行仿真,相对误差小于5%。模拟半光强角为15°的窄光束光源, 朗伯体光源,相对误差小于2%。当LED偏离焦平面中心点±1mm时相对误差小于1.5%。

  2.2 实际系统的建立

  新型光通量测试仪CPC-01的原理图如图3所示。采用不同构造的夹具配合不同封装形式的可见光LED,以保证可见光LED的发光中心定位在CPC聚集器底端附近(即CPC的焦点平面上)。CPC夹具综合了散热器。采用CPC反光杯作为被测可见光LED的光通量收集装置,反光杯内壁蒸镀高反射率的银反射膜。采用大面积(48*48mm)硅光电池作为探测器,CPC出光口到探测器受光面之间依次安装衰减片,V(λ)修正片和余弦修正器。探测器的输出信号经过电流电压转换,放大得到最终示数[3]。实际系统中各个部分的参数和2.1中一致。

  新型光通量测试仪CPC-01是一个长、宽、高分别为374mm,206mm,70mm的矩形箱子,前面板如图4所示。量程为:0.01 lm~50000 lm

  上图为CPC-01前面板,面板上“校零”为校零旋钮;“电源”为电源开关;“档位”为调挡按钮,对应档位上面标有档位系数×1,×10,×100,×1000;"光通量"为光通量显示窗,示数乘以相应的档位系数和标定系数才为最终光通量测量值;“LED样品室”为LED夹具的放置处。

  被测LED光通量通过和标准LED比较得到:

  

  其中,φT、φR分别是被测LED和标准LED的光通量。iT、iR分别是被测LED和标准LED的硅光电池响应(detector signal)。

  但是,由于工艺限制,氧化等原因,CPC内壁不可能是均匀的理想漫反射层,内壁各点得漫射系数也不是完全相等,因此当被测灯和标准灯空间光强分布不一致时会引入空间分布不均匀误差。其次经过修正的探测器和V(λ)曲线并不是完全一致,当被测灯和标准灯光谱功率分布不一致时会引入光谱失配误差。本文将结合远方GO-R3000分布光度计、积分球和远方PMS-80紫外-可见-近红外光谱分析系统,从以上两个方面进行误差分析。

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