專利名稱：發(fā)光二極管光通量測量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光電器件測量發(fā)光二極管(以下簡稱LED)等固體光源 的光通量、輻射通量或輻射功率的裝置與方法。尤其涉及一種由光照度計或輻 照度計探頭及光電流測量、采集顯示單元組成的光通量、輻射通量測量裝置與 方法。
背景技術(shù)：
光通量、輻射功率或輻射通量是表征光源發(fā)光特性最重要的參數(shù)之一。光 通量的測量通常有兩種方法 一是在積分球內(nèi)用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)光源與被測 光源作比較測量，從而確定被測光源的光通量；另一方法是用分布式光度計測 量被測光源在空間各方向的發(fā)光強度，計算后得到光通量。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，分 布式光度計可以獲得比積分球法更高的測量精度，其缺點是測量時間長，測量 裝置需要一個很大的暗室。另外，分布式光度計本身的測量是以被測光源可近 似為點光源為前提的，由于LED發(fā)光指向性強的特點，其發(fā)光特性常常偏離點 光源符合的距離平方反比定律,用分布式光度計測量LED光通量常有較大誤差。 所以LED光通量的測量常采用積分球法。國際照明委員會出版物(CIE 127:2007. Measurement of LEDs)所推薦的LED光通量測量方法就是積分球法。積分球是一 個球形空腔， 一般由兩個內(nèi)壁涂有白色漫反射層(硫酸鋇或氧化鎂)的半球殼 組裝而成。球內(nèi)放置光源，光源所發(fā)射的光經(jīng)球壁多次漫反射后，使整個球壁
上的照度均勻分布，故通過球壁上的窗口射到光電探測器上的光通量正比于光 源所發(fā)射的總光通量。積分球法的缺點是體積大、成本高、積分球內(nèi)壁涂料的 反射率隨時間而變化，比如美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的LED光通量標(biāo)準(zhǔn)所用的 就是直徑2.5米的積分球(C.C. Miller and Y. Ohno， Luminous Flux Calibration of LEDs at NIST, 2nd CIE Expert Symposium on LED Measurement)。由于積分球是一 個封閉的球體，光源本身所散發(fā)的熱量累積在積分球內(nèi)將引起光源溫度的變化， LED結(jié)溫的升高會使其發(fā)光效率顯著降低、繼而影響到LED光通量的測量精度。 當(dāng)光源在空間各方向的發(fā)光特性不相同時，用積分球法測量光通量的誤差更大。 為克服該技術(shù)問題，日本公開特許公報特開2002-318156中公開了一種方案， 在積分球內(nèi)壁上安置多個探測器，其中一個測量漫射光，其他多個探測器測量 從光源發(fā)出的直射光，根據(jù)多個直射光探測器的測量值推算出光源的空間強度 分布，改善光通量測量精度。申請?zhí)枮?00610118915.8的中國專利申請公布說 明書公開了一種采用窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源的LED光通量測試裝置及測試方法，但方 案中并沒有給出窄光束標(biāo)準(zhǔn)光源與窄通光孔徑光纖的具體實施辦法。
光通量測量用的積分球法和分布式光度計法是幾十年前發(fā)明的，對于指向性 很強的LED等固體光源測量存在明顯缺點，但到現(xiàn)在為止還沒有新的測量方法 出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種測量LED等小型固體光源的光通量、輻射通量的新裝置 和方法。其所解決的問題是目前所使用方法在測量時LED必須從使用的基板上 拆下安裝在積分球或分布式光度計的專用支架上，測量不方便，LED工作時產(chǎn) 生的熱量全部累積在積分球內(nèi)部，引起LED的結(jié)溫上升，使測量結(jié)果不穩(wěn)定等
問題，實現(xiàn)LED光通量的快速、在線測量。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的LED光通量或輻射功率測量裝置由空間 響應(yīng)特性符合余弦函數(shù)，光譜響應(yīng)符合C正明視覺光譜光效率函數(shù)V(X)的光照 度或在應(yīng)用波長范圍內(nèi)光譜響應(yīng)不隨波長變化的輻照度測量探頭和與光照度或 輻照度探頭的輸出端通過電纜連接的光電流測量、采集顯示單元組成。所述測 量裝置還有一個反射鏡，該反射鏡朝向被測LED —側(cè)中心處有一個與被測LED 相應(yīng)的空腔，測試時被測LED位于此空腔內(nèi)。所述反射鏡的出射端與垂直于光 軸的截面為正多邊形的積分棒鏡的入射端接合在一起，LED所發(fā)出的與光軸夾 角較大的光在反射鏡面反射后準(zhǔn)直成為與光軸夾角較小的光線后射入積分棒 鏡；與光軸夾角較小的光不經(jīng)反射直接射入積分棒鏡。所述光照度或輻照度探 頭的接收面與前述積分棒鏡的出射面緊密接觸用于測量積分棒鏡輸出端面的光 照度或輻照度。用兩個支撐環(huán)放在積分棒鏡和鏡筒之間用于固定積分棒鏡和反 射鏡，同時在積分棒鏡和鏡筒周圍形成空氣間隙，使光在積分棒鏡內(nèi)實現(xiàn)全反 射。
與用積分球?qū)庠吹墓膺M(jìn)行勻化的做法不同，該測量裝置和方法利用了當(dāng)滿 足一定條件時光在光密和光疏介質(zhì)界面發(fā)生全反射的性質(zhì)，利用全反射鏡使光 源發(fā)出的所有光能全部入射到由多面體圍成的實心棒狀透鏡內(nèi)多次全反射，在 棒鏡的出射面形成與光源光通量成正比的均勻光照度。通過測量積分棒鏡出射 端的光照度即可測量出光源所發(fā)出的光通量。
方案中使用的反射鏡是利用具有全內(nèi)反射面的透鏡實現(xiàn)的。所述反射鏡為高 透過率光學(xué)材料制作的透鏡，其朝向LED的鏡面中心開有與LED相對應(yīng)的空腔， 測量時LED的發(fā)光部被放置在該空腔內(nèi)。所述反射鏡的作用是利用全反射面對 LED發(fā)出的與光軸夾角較大，比如大于45。的光線進(jìn)行準(zhǔn)直，變換成與光軸夾角
小于45。的出射光。LED發(fā)出的與光軸夾角小于45。的光線則不與全反射面相交、 不經(jīng)全反射面反射，在透鏡中折射后直接進(jìn)入積分棒鏡。所述反射鏡出射端面 為與前述積分棒鏡入射端接合在一起的平面。前述透鏡的全內(nèi)反射面可以為錐 面、二次曲面、階梯面或沿光軸截面為多項式函數(shù)的曲面。階梯面反射鏡的詳 細(xì)結(jié)構(gòu)可參見美國專利5404869等。為了使LED所發(fā)出的光全部射入前述積分 棒鏡，所述反射鏡的出射端面的直徑應(yīng)小于或等于積分棒鏡入射端面多邊形內(nèi) 切圓的直徑。
所述積分棒鏡為光輻射吸收極小的光學(xué)玻璃或石英制成的實心、棒狀透鏡， 其各表面均為精密拋光的光學(xué)面。積分棒鏡可以是入射和出射端面積相等的直 棒，也可以是錐形棒，即光入射端與出射端大小不同。積分棒鏡的光輸入、輸 出端面均為平面，連接輸入、輸出端面中心的直線為積分棒鏡的光軸。沿光軸 各點，積分棒鏡垂直于光軸的截面為正多邊形。棒鏡的長度越長對光的積分效 果越好，為了獲得好的出射均勻性，積分棒鏡的長度應(yīng)大于入射端面對角線尺 寸的兩倍；反之，棒鏡過長，光在棒鏡中的吸收增加，其長度應(yīng)小于入射面對 角線長度的40倍。由于積分棒鏡所利用的是全反射原理，其測量范圍只受材料 吸收特性的限制，故可應(yīng)用于從紫外到紅外的整個波長范圍。
如果被測LED是指定顏色的，緊貼積分棒鏡輸出端安裝的光照度探頭的光 譜響應(yīng)也可以只在與LED波長對應(yīng)的波長范圍內(nèi)與光譜光效率函數(shù)V(X)相一 致。
為解決前述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的測量發(fā)光二極管光通量或輻射通量、 輻射功率的新方法是先用一個反射鏡準(zhǔn)直LED所發(fā)出的與光軸夾角較大(如大 于45。)的光線，然后將準(zhǔn)直后的光與LED發(fā)出的與光軸夾角較小的光線一起射 入垂軸截面為正多邊形的積分棒鏡中進(jìn)行混合積分，在積分棒鏡的出射端面形
成均勻照度分布。由于LED所發(fā)出的光全部被收集、均勻分布到積分棒鏡的出 射端面上，故該出射端面的光照度與LED的光通量成正比；用照度計或輻照度 計測量出積分棒鏡出射端面的光照度或輻照度，再乘以所述積分棒鏡出射端面 的面積即可得到被測LED的光通量或輻射通量。
用光通量已知的標(biāo)準(zhǔn)LED對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，可以消除反射鏡和積分棒鏡 材料吸收的影響，實現(xiàn)LED的光通量或輻射功率的快速測量。
與傳統(tǒng)方法相比較，上述解決方案具有以下顯著優(yōu)點
(1) 測量速度快、可實時測量；無需分布光度計法測量的空間分步掃描步 驟；
(2) 可在線測量，測量時只需將接收器罩在LED的發(fā)光頭上即可馬上得到 讀數(shù)，無需將LED從安裝的基板上拆下再裝到積分球的支架上；
(3) 由于利用全反射原理，適用于從紫外到近紅外的全波段；系統(tǒng)性能長 期穩(wěn)定性好，不隨時間衰變；
(4) 通過測量照度可以計算出光通量，可以實現(xiàn)絕對測量；
(5) 體積小、重量輕、成本低。 下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。


圖1 LED光通量測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2帶空腔反射透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3光學(xué)塑料壓制的曲面、半孔全反射透鏡示意圖
圖4正方形截面積分棒鏡的形狀示意圖
圖5光在全反射透鏡及積分棒鏡中的傳播示意圖
具體實施例方式
在圖1所示的裝置示意圖中，外殼5由金屬鋁或銅等制成，用于固定反射鏡 2、積分棒鏡6及光照度或輻照度探頭(8)。外殼5的內(nèi)孔為與反射鏡2和積分 棒鏡6相對應(yīng)的形狀，與反射鏡2對應(yīng)的部分為內(nèi)錐形，與積分棒鏡6對應(yīng)的 部分為正多邊形。外殼5的外部形狀可根據(jù)使用需要自由選擇。內(nèi)孔尺寸比積 分棒鏡稍大，內(nèi)孔與積分棒鏡6之間可以夾入支撐環(huán)4，使積分棒鏡6與外殼5 之間形成空氣間隙，保證光在棒鏡側(cè)表面16發(fā)生全反射。三角形支撐環(huán)4的底 邊與外殼5相接觸，其頂角與積分棒鏡6的側(cè)外表面線接觸。
當(dāng)光疏介質(zhì)為空氣時，發(fā)生全反射的條件為光的入射角6>《=5^'丄，式中n 為光密介質(zhì)材料的折射率。常用K9光學(xué)玻璃的n為1.517，其所對應(yīng)的臨界角 為9。 = 41.2°。因為光是在積分棒鏡6的側(cè)表面16發(fā)生全反射，從LED 1的角度 看，要使光線在棒鏡6側(cè)面16的入射角大于臨界角6c，意味著LED1發(fā)出的光 線與光軸的夾角要小于90。-ec。為了使LED l在整個半球內(nèi)所發(fā)出的光全部在 積分棒鏡6內(nèi)發(fā)生全反射，LED l發(fā)出的光被分成兩部分，出射方向與光軸夾 角較小，比如小于45。的光直接射入積分棒鏡6;出射方向與光軸夾角較大的光線 被反射鏡2反射后改變方向成為與光軸夾角小于45。的光線再進(jìn)入積分棒鏡6。 射入積分棒鏡6內(nèi)的光在其側(cè)壁16上全反射，與光軸夾角不同的光線在積分棒 鏡中發(fā)生全反射的次數(shù)也不相同。夾角較大的光線在棒鏡6內(nèi)發(fā)生全反射的次 數(shù)多，發(fā)散角很小的光線則沒有機會與棒鏡6的側(cè)壁16相交，直接從棒鏡6的 出射端15射出。光在積分棒鏡6內(nèi)發(fā)生不同次數(shù)的反射后，在棒鏡的輸出端15 相互疊加形成照度均勻的輸出面。
如圖2所示,在我們的實施方案中反射鏡2是在圓錐形透鏡中間開孔制成的。 圓錐斜面與光軸的夾角與其材料有關(guān)，我們所使用的材料為K9光學(xué)玻璃，其全 反射臨界角為9e二 41.2°。即圓錐斜面與光軸的夾角需要大于0e，以保證LED所 發(fā)出的與光軸夾角為90。的光線在全反射面11上發(fā)生全反射。為了加工方便， 在透鏡沿光軸方向開有一個通孔，用于放置被測LED。這是最簡單的一種形式。 全反射面11也可以是沿光軸截面為多項式函數(shù)的軸對稱曲面。如果采用塑料材 料壓制，也可制成與LED對應(yīng)的半孔，孔的底面為向LED方向凸起的凸面，具 有準(zhǔn)直作用，如圖3所示曲面反射鏡的12。反射鏡2的全反射面11也可制作成 沿光軸截面為階梯狀，詳細(xì)結(jié)構(gòu)可參見美國專利5404869等。
圖4是正方形積分棒鏡6的示意圖。積分棒鏡6由K9光學(xué)玻璃制作而成， 長100mm，入射、出射端面均為正方形。各表面均經(jīng)精密光學(xué)拋光。反射鏡2 的出射面13與積分棒鏡6的入射面14接合在一起。如采用光學(xué)塑料壓制，也 可將反射鏡2與積分棒鏡6制作成一個整體組件。積分棒鏡6也可以是正三角 形或正六邊形等多邊形棒鏡。
圖5是LED所發(fā)出的與光軸夾角較小的光不經(jīng)積分棒鏡反射直接出射;LED 發(fā)出的與光軸夾角較大但小于45°的光不經(jīng)反射鏡2反射直接射入積分棒鏡6， 在積分棒鏡6的側(cè)面16反射后出射；以及LED發(fā)出的與光軸夾角大于45。的光 經(jīng)反射鏡2準(zhǔn)直后射入積分棒鏡6三種情況下光線傳播的示意圖。
如圖1所示，與積分棒鏡6出射端15緊密相連的是光照度或輻照度探頭8 的接收面7。光照度或輻照度探頭與外殼5固定在一起。
測量裝置有兩種標(biāo)定方法 一種是將光照度探頭8與光電流測量、采集單元 10的組合標(biāo)定成光照度計，實際測量積分棒鏡6的出射端15的面積。出射面 15的照度測量值與前述出射端15面積的乘積即為被測LED的光通量。輻射通
量按同樣步驟標(biāo)定。另一種是相對測量法，將一個已知光通量的LED放入空腔 3中進(jìn)行測量，按照LED光通量的大小調(diào)整光電流測量、采集單元10的電路放 大倍率，使顯示單元10所顯示的數(shù)值與被測LED的光通量相一致，完成測量 裝置的定標(biāo)。
測量時LED 1的發(fā)光部分插入到反射鏡2的中心孔3處，用電纜9將光照 度或輻照度探頭8與光電流測量、采集單元10連接在一起，打開電源開關(guān)即可 直接讀出被測LED的光通量。
本發(fā)明不局限于上述具體實施方式
，只要利用反射鏡對LED的發(fā)光進(jìn)行準(zhǔn) 直、集光，利用棒狀積分透鏡對收集到的光通量進(jìn)行積分產(chǎn)生均勻照度分布， 然后通過用光照度或輻照度計測量棒鏡出射面的照度來實現(xiàn)光通量測量的方 法，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測量發(fā)光二極管光通量或輻射功率的裝置，由光照度或輻照度測量探頭和與前述測量探頭的輸出端通過電纜連接的光電流測量、采集顯示單元組成，其特征是所述測量裝置還有一個反射鏡(2)，該反射鏡(2)朝向被測發(fā)光二極管(1)一側(cè)中心處有一個與被測發(fā)光二極管(1)對應(yīng)的空腔(3)，測試時被測發(fā)光二極管(1)位于此空腔(3)內(nèi)；垂直于光軸的截面為正多邊形的積分棒鏡(6)的入射端(14)與所述反射鏡(2)的出射端(13)接合在一起；所述光照度或輻照度測量探頭(8)的接收面(7)為平面并與前述積分棒鏡(6)的出射面(15)相接觸；支撐環(huán)(4)位于積分棒鏡(6)與鏡筒(5)之間用于固定積分棒鏡(6)和反射鏡(2)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于所述反射鏡(2)為高透過 率光學(xué)材料制作的透鏡，其朝向發(fā)光二極管的鏡面(ll)為全內(nèi)反射面，其出射端 面(13)為與積分棒鏡(6)入射端(14)接合在一起的平面。朝向發(fā)光二極管鏡面的全 內(nèi)反射面(ll)可以為錐面、階梯面或沿軸截面為多項式函數(shù)的曲面；反射鏡(2) 出射端面(13)的直徑小于或等于積分棒鏡(6)入射端面(14)多邊形內(nèi)切圓的直徑。
3. 根據(jù)權(quán)力要求1所述的測量裝置，其特征在于所述積分棒鏡(6)為高透 過率光學(xué)材料制成的實心、棒狀結(jié)構(gòu)；積分棒鏡(6)的表面為精密拋光的光學(xué)面， 積分棒鏡(6)可以為其入射端(14)和出射端(15)面積相等的直棒，也可以為前述面 積不相等的錐形棒；該積分棒鏡(6)的長度大于入射端面(14)對角線尺寸的2倍， 小于該對角線長度的40倍。
4. 一種測量發(fā)光二極管光通量或輻射通量、輻射功率的方法，其特征是 所述測量方法先用一個反射鏡(2)準(zhǔn)直發(fā)光二極管(1)發(fā)出的與光軸夾角較大的光 線，然后將準(zhǔn)直后的光與發(fā)光二極管發(fā)出的與光軸夾角較小的光線一起射入具 有垂軸截面為正多邊形的積分棒鏡(6)進(jìn)行混合積分；用照度計或輻照度計測量 出積分棒鏡(6)出射端面(l5)的光照度或輻照度，再乘以所述積分棒鏡(6)出射端 面(15)的面積得到被測發(fā)光二極管(1)的光通量或輻射通量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用光電器件測量發(fā)光二極管等固體光源的光通量、輻射通量或輻射功率的測量裝置與測量方法。其所解決的是現(xiàn)有裝置和方法精度低，無法實現(xiàn)在線測量等問題。所說的測量裝置主要包括光照度或輻照度測量探頭(8)、光電流測量顯示單元(10)、反射鏡(2)、積分棒鏡(6)、支撐環(huán)(4)及外殼(5)。所說的測量方法包括用反射鏡(2)對發(fā)光二極管(1)在半球內(nèi)所發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直后送入積分棒鏡(6)進(jìn)行均勻化，通過測量積分棒鏡(6)出射端(15)的光照度或輻照度再乘以積分棒鏡(6)出射端(15)的面積獲得發(fā)光二極管(1)的光通量或輻射功率。本發(fā)明提出的測量裝置和方法能夠?qū)崿F(xiàn)絕對測量，體積小，成本低，長期穩(wěn)定性好，適用于從紫外到近紅外全波段各種發(fā)光二極管的快速、實時、在線測量。
文檔編號G01J1/42GK101368872SQ200710070280
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月13日
發(fā)明者秦文紅, 鄭曉東 申請人:杭州銳力光學(xué)有限公司