使用积分球测量 LED光通量和辐射功率

LED 开启了设计自由的新维度，让建筑师和设计师可以自由发挥他们的创造力。发光二极管允许多种设计解决方案作为照明产品中的光源。然而，需要一种合适的测量方法来比较关键技术数据，以便充分利用可用的照明产品的多样性。来自 Just Normlicht GmbH 部门 GL OPTIC 的 Mikolaj Przybyla 解释了关键的产品要求以及校准测量系统时应注意的事项。

小型积分球也用于高质量手持式仪器，用于单个 LED 测量

对于范围广泛的照明产品，通常可靠且合适的测量方法是使用积分球测量光通量和辐射功率。高分辨率光谱分析仪可用于测量透射和发射光谱，但所谓的积分球可以确定光源的辐射功率或光通量。因此，积分球，在其发明者之后也被称为 Ulbricht 球，是光谱仪应用中最重要的仪器之一（图 1）。

图 1：使用实验室级光谱仪校准的大型积分球的典型测量设置

德国工程师 Richard Ulbricht 受委托为德累斯顿市的火车站建造一个三相发电站。与此相关，他还参与了车站的照明工作。在他的光度学研究中，Ulbricht 利用了光产生的多次反射，并且正是在这项工作的过程中，他开发了积分球。本质上，积分球是一个空心球体，其内表面涂有漫反射材料，并且完全不透明且四面封闭。辐射在积分球内完全积分和混合，然后被探测器解耦以进行测量。在实践中，测试对象固定在球体的中心，以便可以量化所有方向的光通量。因此，无论源的结构或发射的空间分布如何，都可以确定源发射的总能量。使用这种方法可以为许多不同类型的光源获得可靠的结果，并将所有设计、照明角度和类型都考虑在内。积分球成功地用于测量白炽灯和电致发光光源。它们还适用于表征由 LED 或 OLED 组成的光源。积分球成功地用于测量白炽灯和电致发光光源。它们还适用于表征由 LED 或 OLED 组成的光源。积分球成功地用于测量白炽灯和电致发光光源。它们还适用于表征由 LED 或 OLED 组成的光源。

合适的探测器——光度计或光谱仪

积分球只是整个测量系统的一部分——还需要一个检测器来量化信号的强度。检测器是连接到球体的测量装置。积分球和光度计通常用于测量在宽光谱范围内发射连续光谱的传统白炽光源。借助光度计，可以确定灯的能效等级和平均使用寿命以及光的空间分布。安装在内壁上的光度计测量球体内部的亮度。该设备通常带有一个光学校正滤光器 (V, λ)，可以使设备的灵敏度适应人眼的特征灵敏度。

对于发射非连续光谱的 LED 和其他光源的测量，必须使用光谱测量设备。而光度测量系统以勒克斯、坎德拉、cd/m 为单位指定参数。或流明，光谱辐射测量设备能够指示附加参数，例如主波长、峰值波长、带宽、CCT（色温）和 CRI（显色指数）。光谱测量可以获得非常准确的结果，因为它们量化了光源的光谱功率分布。光通量由分光计连同漫射器和合适的余弦校正头一起测量。光谱仪连接到积分球，它以流明 [lm] 为单位测量积分信号电平。然后安装的应用软件计算传统光电探测器无法确定的光度和色度值。测量数据的基础仍然是源发出的能量。这种测量方法还消除了当检测器错误地呈现人眼对不同波长的灵敏度时可能导致的误差。

这方面对于 LED 测量尤为重要，因为这些光源在有限的波长范围内发出光，其中包含尖峰和窄峰。在这种情况下，检测器受到不同光源的影响，在几个波长范围内具有高能量，而在其他范围内具有较低或接近零的信号强度。LED 具有某种程度的气态光谱分布模式，具有特定的峰值波长和小于 10 纳米的半宽。特别是蓝色、红色和白色 LED 会受到发光强度和主波长显着偏差的影响，这是由于滤光器对 V(l) 函数的定义侧翼的适应性较差。例如，对于蓝色 LED 来说，百分之几百的错误率并不少见。另一方面，在白色 LED 的情况下，正确评估蓝色峰值对于颜色坐标的准确性非常重要。另一个问题是，不同的光度计会根据各自的过滤器参数和光学校正 (V, λ) 提供不同的结果。精密光谱辐射计避免了这种缺陷，因为基于计算机的光谱分析（图 2）使用了根据国际照明委员会 (CIE) 发布的 CIE 127:2007 标准精确定义的函数。因此，光谱辐射计是测量 LED 光源的推荐选择。精密光谱辐射计避免了这种缺陷，因为基于计算机的光谱分析（图 2）使用了根据国际照明委员会 (CIE) 发布的 CIE 127:2007 标准精确定义的函数。因此，光谱辐射计是测量 LED 光源的推荐选择。精密光谱辐射计避免了这种缺陷，因为基于计算机的光谱分析（图 2）使用了根据国际照明委员会 (CIE) 发布的 CIE 127:2007 标准精确定义的函数。因此，光谱辐射计是测量 LED 光源的推荐选择。

合适的领域

积分球的内部涂有一种特殊材料，旨在漫射反射光。硫酸钡 (BaSO4) 通常用于此应用。光学 PTFE（聚四氟乙烯）在很宽的波长范围内提供理想的反射特性，并在红外辐射值超过 700 nm 时应用了金涂层。旧球体中使用的涂层具有 80% 的光反射系数，与前几代探测器结合产生了良好的效果。光谱仪允许使用光反射系数为 97% 的材料。这可以在检测器入口点实现更好的集成和更高的信号强度，并使测量结果更加准确。

一个重要的 CIE 要求是考虑自吸收。使用的方法应该能够确定特定源发出的信号的哪一部分也被该源吸收。吸收可能是由于外壳或球体内用于安装样品的所有元件。可以通过在球体中安装辅助光源来测量被测光源的吸收来满足 CIE 要求。然后将其计入最终测量结果。

在设计测量设置时选择合适的球体直径很重要（图 3）。具体要求禁止光源的最大物理尺寸超过球体内径的 10%。直到最近，这意味着必须使用直径至少为 1 米的球体来测量直径为 10 厘米的源。因此，需要一个 4 米的球体来测量 40 厘米大小的物体，依此类推。通过补偿自吸收，现在可以在不影响测量精度的情况下测量两倍大的光源。结果还取决于源的形状。在直径为 500 毫米的球体中，可以测量最大 16 厘米 x 16 厘米的物体。因此，直径为 2,000 毫米的球体可用于测量最大 60 厘米 x 60 厘米的光源。

校准测量设置

为保证所需的可靠性水平，所使用的仪器必须经过校准。每个包含积分球和光谱仪的测量系统都需要校准。校准源是具有已知光谱分布和光通量值的参考灯。这些光源由经过认证的实验室进行校准，这些实验室使用理想的黑体辐射器和单色器作为参考，以确定参考灯的光谱分布和光通量。制造商通常会校准测量设置，应每 12 个月重复一次。

光谱仪的校准分三个步骤：

• 波长校准

• 光谱校准

• 绝对校准

由于卤素灯中的蓝色光谱分量仅占 800 nm 波长可用能量的 10% 左右，因此在测量光中具有明显蓝色分量的白光 LED 时，通常建议使用相应的 LED 进行绝对校准。这应该避免与白色 LED 的散射光一起可能发生的校准错误。

但是，对于在高质量光谱仪中使用的具有光学杂散光减少 (OSR) 功能的设备，这不是必需的。应用合适的过滤器和数学模型可以可靠地防止由杂散光引起的校准错误。

总结

长寿命和极其坚固的内部结构以及 LED 预期的高光输出相结合，使这种照明技术真正独一无二。因此，当 LED 被归入颜色组时，对颜色一致性的要求非常高也就不足为奇了。此外，对 LED 光学特性的需求日益增加，因为它们的照明特性对于保障合规产品质量至关重要。积分球已被证明是通用且有效的测量工具，甚至对于某些应用来说是必不可少的