发光二极管光通量的测定及研究发光二极管光通量的测定及研究上海时代之光二,LED光通量的积分球相对法测量研究LED光通量的积分球测量系统连接如图所示.测量前的准备:1, 依照被测LED功率的不同,我们选用不同直径的LED测量专用积分球.2, 采用恒定直流源作为实验1 温度对LED光通量输出的影响下表为采用我们的积分球系统测量所得到的某一350mA LED光通量随着LED点亮后温度的升高而变化的数据.记录温度(℃) 光通量(lm)1 25 41.92 25 41.93 25 40.94 26 41.85 28 39.96 30 38.27 30 38.48 31 38.09 31 37.810 32 38.011 32 37.312 35 37.413 35 37.114 38 36.715 38 36.216 39 36.417 40 36.718 40 36.219 42 35.820 42 36.121 42 35.522 42 35.823 42 36.0*说明:上表中的温度指的是LED光出射方向中心表面封装处的温度.上表相应的350m A LED 温度—光通量关系变化趋势经过直线拟合后绘制如下:从图中我们可以看到,被测LED光通量大小随封装表面温度的升高出现了下降的情况.而从我们其他LED相关试验的结果来看,都呈现出了光通量与温度相反方向的变化关系,只是随着被测LED的功率不同,功率大的LED光通量变化明显一些,功率较小的LED光通量变化相对小些.LED环氧树脂封装表面温度,作为表征LED内部P-N结温度的外部表现,从被测LED点燃开始的温度升高过程中,该LED光通量的输出也发生了或多或少,但相对明显的降低,LED内部P-N温度的升高导致了LED光通量输出的减少.Lamina公司也曾做过其产品BL-4000 白色LED光通量输出跟节点温度之间变化关系的相关研究.发现其产品BL-4000 白色LED的光输出会随着节点温度的升高而降低,同时发现这种效果在580nm到780nm之间的范围内会更加明显.所以,对于大功率LED产品来说,为了保证其有最大(或最佳)的光输出,必须要有最优化的散热设计,尽可能地把LED内部P-N节点温度保持在较低的状态.较长时间点亮后的LED,其内部P-N节点温度达到一个相对的稳定;而这个稳定温度无疑正受着环境温度等的影响.通过本实验,要说明的是:LED作为一个受测量环境影响比较明显的光源,我们在进行LED相关参数包括光通量等的测量时,必须要有统一并严格保持这一恒定的环境温度,否则测量结果里就可能存在着比较明显的偏差.同时,LED测量专用积分球内部空间相对狭小,由于被测LED长时间的点亮很可能就会造成积分球内部温度的升高.所以,对于LED这种对温度相当敏感的光源来说,更不能在封闭的积分球内进行长时间的点亮测量.这些都是LED光通量测量结果产生偏差的原因.实验2 LED放置方向对其总光通量测量结果的影响积分球放置:探测器所在窗口在测量者所面对积分球的正背面.定义LED的放置方向:上:LED机械轴垂直,LED光出射方向向上.左:LED光出射方向向左.右:LED光出射方向向右.前:LED光出射方向向观察者方向.后:LED光出射方向背观察者方向,向挡屏方向.下表为采用我们的积分球系统测量所得到的某一350mA LED光通量随着LED放置方向不同变化的数据.1 2 3 平均值上 33.2 33.2 33.2 33.2左 37.4 37.3 37.4 37.4右 36.1 36.1 36.0 36.1前 42.4 42.5 42.5 42.5后 18.4 18.4 18.4 18.4说明:实验时对同一种放置方向采用了多次测量记录的方法,最后取平均值填写入表格.通过本实验,我们很明显地看到了对于同一LED,当我们在相同的积分球球心位置但沿不同方向放置下的测量结果存在着相当明显的差异,实验结论也毫无疑问地指出了测量时的放置方向对于LED光通量的测量结果有着非常明显的影响.本次实验,我们关注的倒不是在哪个方向可以得到光通量最大值,这不是本论文讨论的目的,而是想通过本实验发现LED测量时的放置方向是否的确会对光通量的测量造成较大影响而令我们LED在不同放置方向条件下的相关测量结果没有可比性.实验结果反映了这样的变化,功率越大的LED其光通量随其测量时的放置方向在数值上的变化相应也越明显.所以,在积分球法LED光通量测量时,有必要对LED的放置方向做一明确的限定,这样的测量结果才具有可比性.三家单位对相同LED总光通量测量结果的比较类型 A单位 B单位 C单位 A VS B A VS C B VS CG#1 0.8362 0.9205 1.057 -0.0843 -0.2208 -0.1365B#1 0.4779 0.5475 0.672 -0.0696 -0.1941 -0.1245R#1 0.6714 0.7280 0.869 -0.0566 -0.1976 -0.1410W#1 0.8361 1.0140 1.177 -0.1779 -0.3409 -0.1630Y#2 1.156 1.7014 1.734 -0.5454 -0.578 -0.0326说明:牵涉到的三家测量单位,这里分别用A,B,C来指代.通过上面列表综合比较不难发现,三家在结果上存在着或大或小的差异.如果仅仅从结果上看:A单位测量所得到的相应LED光通量数值在三家中普遍地最小,B单位居中,而C单采用积分球法测量所得到的结果相对最大.在个别LED上,如类型为Y#的LED,A单位的测量结果在数值上和B,C单位的测量结果差距非常明显.三,绝对测量法并计算总光通量应用传统的积分球光谱光度法进行LED总光通量的相对比较测量.LED的特殊性,使得其总光通量测量受到了多种因素的影响,测量结果上也存在着较大的差异,各测量机构在测量结果上的差异也比较明显地说明了这一点.在本部分中,我们考虑换个角度,尝试采用新的方法实现对LED总光通量的测量,这就是LED光通量的绝对法测量.所使用到的公式1.轴向光谱辐射强度→光强的计算公式:∫=780380)()(683λλλdVIIe式中,eI表示光谱辐射强度,单位:)/(nmsrWI表示光强,单位:lm/sr683是常数,单位:lm/W)(λV是无量纲的视觉函数.通过本公式的计算,我们可以得到被测LED轴向的发光强度.2.配光曲面计算总光通量公式:∫∫∫= =Φππθθθφφ2sin),(dIdId 式中,Φ表示总光通量,单位:lmI表示光强,单位:lm/sr表示空间立体角,单位:sr基于上面光强计算公式的计算结果,再结合测定的空间相对光强分布,然后通过本公式对全空间角度光强的积分计算,就可以得到被测LED的总光通量.在本LED总光通量绝对法测量过程中,我们使用了LABSPHERE LED-1100光谱/角度分析仪.1. 光谱测量通过LABSPHERE LED-1100光谱/角度分析仪的光谱测量,我们可以得到描述被测LED轴向特征的光谱辐射强度图.2.角度测量通过LABSPHERE LED-1100光谱/角度分析仪的角度测量,我们可以得到描述被测LED在某一参考平面(初始平面是θ=0°平面)内的空间相对光强分布.通过LABSPHERE LED-1100光谱/角度分析仪的光谱测量,我们就可以得到描述被测LED轴向辐射特征的光谱辐射强度,通过本章前部理论公式部分提及的公式1,即∫=780380)()(683λλλdVIIe通过计算得到被测LED沿轴向的发光强度.对同一被测LED,改换用LABSPHERE LED-1100光谱/角度分析仪的角度测量,就测定了该LED几何对称轴所在某一参考平面内(初始平面是θ=0°平面)的空间相对光强分布.以按照标尺上微小角度间隔,绕被测LED几何对称轴旋转LED所在圆柱型插槽,分别记录该参考平面上的空间相对光强分布.当圆柱型插槽旋转满180度的时候,通过各个参考平面内空间相对光强分布关系,确定被测LED周围全空间的相对光强分布.由光谱测量得到的光谱辐射强度计算得到被测LED轴向光强,结合空间相对光强分布,就可以确定整个参考平面沿各方向的光强确定数值.这里我们将用到本章前部理论公式部分提及的公式2,即∫∫∫= =Φππθθθφφ2sin),(dIdId基于上面的测量原理和结果,我们通过程序设计,计算得到被测LED总光通量. WIN32程序上面参数设计中设置已经由LABSPHERE LED-1100光谱/角度分析仪测定的被测LED的光谱辐射强度存储文件*.LDD和相对空间光强分布文件*.LAD的路径,下面的扫描次数栏是根据扫描次数的不同设置相应的扫描次数数值.当设置好被测LED的光谱辐射强度存储文件*.LDD的路径后,下面黑色区域即可自动绘制出*.LDD文件所包含的光谱辐射强度～波长关系曲线,这样的设计可以对当前测量LED能有更加直观的了解.标准LED光通量计算测定实例这里我们选用的是一符合标准LED几何对称轴和光学对称轴一致,光学输出按几何对称轴旋转对称的标号为G1的绿色LED作为测定对象.G1# LED的轴向光谱辐射强度文件为G1#.LDD,空间相对光强分布文件为G1#.LAD,扫描次数为1.Win32计算软件界面如下图所示:我们分别在参数选择中选中了标号为G1#的LED光谱辐射强度的存储文件G1#.LDD,同时又选中了标号为G1#的LED相对空间光强分布的存储文件G1#.LAD,根据两个存储文件设置扫描次数为1.通过运算可以看到,在计算结果上面Intensity栏显示被测LED G1#的轴向发光强度为6.1646cd,在下面的Flux栏显示G1# LED的光通量为1.0520 lm.测量结果比较这里,我们把五种LED进行了相关测定和计算后,比较列表如下:单位A 单位B 单位C LED-1100 + 软件计算G#1 0.8362 0.9205 1.057 1.0520B#1 0.4779 0.5475 0.672 0.6472R#1 0.6714 0.7280 0.869 0.8216W#1 0.8361 1.0140 1.177 1.1140Y#2 1.156 1.7014 1.734 1.7245从上面表格可以看到,通过由LED-1100 + 软件计算得到的光通量大小与单位C的测量结果相对来说比较接近,而与单位A及单位B的测量结果相比差距相对较大些.写在最后LED的特殊性使得其各种光学参数包括总光通量的测量,在进行精确测量的时候,如要符合远场条件等的严格要求,限于篇幅所限,不可能面面提及,讨论.而本论文作为对LED光通量测量的探索,期望能起到抛砖引玉的作用,为LED相关参数的测量,LED照明事业的蓬勃发展添砖加瓦.。