這篇文章，我首先想從積分球涂料及系統(tǒng)校正用的標(biāo)準(zhǔn)燈兩方面進行闡述；后續(xù)的文章我會再從輔助燈、測量計算方法、光譜儀、配套電學(xué)儀器、LM-79-08標(biāo)準(zhǔn)的要求、具體實現(xiàn)方法等方面來展開討論。

在使用積分球進行光通量測量過程中，與普通光源不同，LED產(chǎn)品的光通量測量在測試準(zhǔn)確性方面對設(shè)備提出了很大的挑戰(zhàn)。一方面LED較普通光源通常具有較強的方向性，通常不會在整個空間均勻地發(fā)光。該特性使得LED直射光在積分球表面的分布呈不均勻分布，該不均勻分布又直接導(dǎo)致不同LED的直接反射光相對探測器的反射特性不同。因為探測器口的位置及擋板的設(shè)置是固定的，而不同的反射分布直接表現(xiàn)為信號起伏。在普通的測量系統(tǒng)中，不同的正向發(fā)散角的LED、同一LED不同的放置方向、同一方向不同位置等差異，即使光通量是一致，表現(xiàn)出來的測量值也表現(xiàn)出極大的差異性。根據(jù)客戶的驗證結(jié)果，普通LED測量系統(tǒng)LED的放置方向?qū)馔繙y量結(jié)果的影響往往超過50%(這一點尤其在國產(chǎn)設(shè)備上表現(xiàn)特別明顯)。在測量不同LED不同發(fā)光角度時，由于在積分球內(nèi)表面的分布差異使得直接反射的分布對探測器的影響也不同，從而直接影響到兩者測量的準(zhǔn)確性的差異。如圖1所示。

另一方面LED測量系統(tǒng)通常使用鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源，使用的標(biāo)準(zhǔn)燈本身與LED無論是在外形上、發(fā)光的分布特性上還是光譜特性上都有較大的差異。因此二者的差異性必須進行必要的修正。

原因分析：

LED的方向性對測量準(zhǔn)確性影響的一個重要原因是積分球的內(nèi)表面反射特性。在普通的LED測量系統(tǒng)中，積分球表面涂層的反射率和朗伯特性都不是很理想。一個是反射率偏低，另一個是漫反射特性不好。國內(nèi)廠家積分球涂層主要采用氧化鎂或硫酸鋇，反射率僅可達到ρ=0.9左右，而且該涂料較容易受潮脫落及高溫環(huán)境下氧化、變色，這些都會造成數(shù)據(jù)測試誤差。目前我司使用的進口美國藍(lán)菲積分球系統(tǒng)，其球體內(nèi)壁噴涂藍(lán)菲專利Spectraflect涂料，該涂層在可見光光譜范圍內(nèi)具有很高的反射率。在厚度0.5mm以上、波長400-1100nm之間時，反射率超過99%；在360nm-830nm的光譜范圍內(nèi)提供97%的反射率，并且能擴展至300-2400nm范圍。其涂料反射率是目前國內(nèi)積分球上使用的涂料性能所達不到的。低反射率的積分球表面導(dǎo)致的一個結(jié)果就是，LED的直接照射光經(jīng)過很少的幾次反射后就逐漸衰減，而在整個的光混合過程中，直接照射光和直接反射光占了很大的比重，起了主導(dǎo)作用。而在某些條件下，低反射率材料會在某些條件下在擋板的后部探測器處產(chǎn)生強烈的陰影效應(yīng)。而導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確的原因正是直的反射光和陰影效應(yīng)。

另外較低的漫反射率對信號的衰減非常嚴(yán)重。由于光測量過程中，光在積分球內(nèi)多次反射，每次反射都有一定的衰減，而反射率的高和低對光強的影響在多次反射后得以加強。以反射光在球內(nèi)進行15次反射為例，如果兩者的反射率相差5%，則信號的衰減可能會超過一倍以上。而實際上積分球內(nèi)的反射率差別遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。

另外目前的積分球測試系統(tǒng)還沒有用于儀器校正用的標(biāo)準(zhǔn)LED光源，在測量過程中，還是使用校準(zhǔn)的穩(wěn)定驅(qū)動的鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源。由于標(biāo)準(zhǔn)燈的外形結(jié)構(gòu)和待測LED的差別很大，LED支架對光有吸收效應(yīng)，以及標(biāo)準(zhǔn)燈安裝位置與LED安裝位置的差別，這些也是影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。

解決方案及測試結(jié)果：

在目前的積分球測試系統(tǒng)中，為了克服以上這些問題，提高測試數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性，通常采用指定LED以特殊的安裝方向進行測試，或者將系統(tǒng)設(shè)計成待測光源直接朝向探測端口或背向端口方式。但是一個角度無法解決所有問題，不同發(fā)光角度的LED的測試以及反射率等影響仍然需要解決。

Labsphere公司在設(shè)計LED測量系統(tǒng)時，根據(jù)實際使用中對測量準(zhǔn)確性的影響因素進行了全面優(yōu)化，使系統(tǒng)對LED方向的敏感度降到最小。即在測量過程中，無須規(guī)定特殊的角度和方向。即使在極端條件下，使用極強方向性的LED，使用極端條件的放置方式的測量的結(jié)果仍然保持了良好的一致性。

Labsphere的LED測量系統(tǒng)嚴(yán)格按照CIE標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，積分球內(nèi)表面涂層使用藍(lán)菲專利技術(shù)的Spectralon@或Spectraflect@作為反射層，具有極高的反射率和良好的朗伯反射特性。在可見光范圍內(nèi)反射率分別大于99%和98%。圖2為Labsphere公司的Spectroflex涂料的光譜漫反射曲線，從中可以看出，從380nm-780nm之間，基本上為一條直線，漫反射率非常穩(wěn)定，而且接近于1。良好的反射材料可以保證更好地混合特性和均勻的光分布。另外在擋板的設(shè)計和探測端口的設(shè)計方面進行了優(yōu)化，采用了漫射器的裝置，最大限度地降低探測端口對直接反射光的敏感度。在球體內(nèi)表面的結(jié)合部位進行了特殊的考慮。

該積分球測試系統(tǒng)采用了校準(zhǔn)的鹵鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)燈，同時采用了輔助燈方案，用于補償待測LED支架與標(biāo)準(zhǔn)燈支架差別對測量結(jié)果帶來的影響。該標(biāo)準(zhǔn)燈在美國Labsphere公司的校準(zhǔn)實驗室內(nèi)經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)而來，該結(jié)果可溯源至NIST。該標(biāo)準(zhǔn)燈工作在恒定的色溫3000K下，保持恒定的光輸出通量，提供NIST溯源的光譜輻射通量數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)燈和輔助燈使用的電源為固定電流的固定功率的驅(qū)動方式，而不是可調(diào)式電源，這樣可以最大限度地減小功率飄逸。長期穩(wěn)定性好于0.02%，保證了光輸出結(jié)果的可靠性。

在該系統(tǒng)條件下，針對前面敘述的LED測量結(jié)果準(zhǔn)確性問題進行了針對性的測試。測試條件如下：采用高亮度LED，功率約0.35W，發(fā)光角度約30°。測試的流明值及誤差結(jié)果如表1及圖3所示。

結(jié)論

LED采用了9個測量方位，分別代表可能的LED放置方式。其中包含對探測器影響最小和最大的極端情況。從測量結(jié)果看，即使在最極端的情況下，即LED面向探測器開口處與LED背向開口處，光通量測量結(jié)果的峰峰值仍然小于5%。這是一個非常好的測試結(jié)果。在實際應(yīng)用過程中，由于LED不會采取如此極端情況放置。在該測試中采用的是簡易的測試支架，在包含定位誤差的情況下，同一位置測量結(jié)果的光通量誤差小于0.1%。實際測試過程中LED的光通量測量重復(fù)性誤差遠(yuǎn)小于0.1%。由此可見Labsphere的LED光學(xué)性能系統(tǒng)測量結(jié)果可靠、穩(wěn)定，會對產(chǎn)品的性能給予可靠的保證(圖5為螞標(biāo)檢測使用的積分球系統(tǒng))。采用這樣的測試系統(tǒng)可以對LED產(chǎn)品的研究、開發(fā)及生產(chǎn)起到極大支持作用，是LED行業(yè)光學(xué)性能測量的理想選擇，其制作工藝及系統(tǒng)性能也是目前國產(chǎn)積分球所不能達到的。