摘要:介绍一种LED光源光强空间分布特性的快速测试方法及装置,具有测试速度快,精度高,信息量丰富,更具有实时性和直观性的显著优点。采用31个光度探测器的多路同步测试方法,取代1个光度探测器多点测试,同时基于PC和LabVIEW开发测试软件,进行LED光源的二维光强空间分布特性的快速测试,测试时间小于0.2s,通过增加LED光源相对旋转机构,也可快速获取LED光源三维光强空间分布立体图。

关键词:发光二极管(LED);光强空间分布;测试

1 引 言

发光二极管(lightemittingdiode,LED)作为第四代光源应用在普通照明领域,同白炽灯、荧光灯等传统光源,无论是发光的原理,还是发光的特性,甚至包括照明光源的结构和驱动等,都有显著差别[1]。

对于LED光源的特性测试,必须针对其特殊的发光特性,采用相应的测试方法和技术[2]。由于目前缺乏明确的技术标准等,造成技术发展上的滞后,暂时往往借鉴的是传统光源的测试手段,把LED看作是一个点光源,实际上是回避了LED光源测试方面存在的一些技术难题,并不能真正反映LED半导体照明光源的发光特性[3]。一些研究报告也提出,对于LED来说,配光曲线和光强空间分布存在区别[4],希望得到正确反映LED发光强度空间分布的方法,获得LED空间光强分布的三维立体图。

现介绍一种新的光强空间分布特性的测试方法,采用多个光度探测器同步测试,取代1个光度探测器多点测试,实现LED光源光强空间分布特性的快速测试,可获得LED光源光强空间分布的二维平面图和三维立体图。其特点是测试速度快,精度高,信息量丰富,更具有实时性和直观性。

2 测试问题

光强空间分布是指从光源发出的光在空间上的分布,反映的是LED器件的发光强度的空间分布特性[5]。借鉴的是传统光源的配光曲线的测试手段,最常见的测量光强空间分布曲线的方法是采用一个光度探测器,可选择LED光源不动,光度探测器围绕它旋转扫描;也可选择光度探测器不动,LED光源围绕一个固定中心点旋转,如图1所示,一般测试点设置在50～60个,因此一条配光曲线的测试就需要较长的时间,如果测量三维空间的光强分布,则测试点更多,测试时间更长,几乎难以完成。

光强空间分布通常被称为配光曲线,但简单的测试配光曲线来表征光强空间分布显然是不对的。配光曲线只是发光强图在一个剖面上的轮廓曲线,从效果上看,多个等分剖面的配光曲线不如一张三维立体光强分布图。特别对于种类繁多的LED光源,发光特性各不相同,其中包括各种非对称的LED光源或灯具。例如长方形或椭圆形封装LED,LED汽车前照灯和路灯等。光强空间分布的三维立体图显然比几十张同一LED光源的配光曲线更加正确和直观。

3 测试装置及测试方法

现介绍一种LED光源光强空间分布特性的快速测试装置,采用多个光度探测器多路同步测试方法,取代1个光度探测器多点测试,可在很短的时间内一次性获得LED光源的二维光强空间分布,通过增加旋转机构,可以固定探测器旋转待测LED光源,也可选择增加旋转机构控制探测器支架的转动,依次获得不同测试旋转角度的二维光强空间分布,进而获得LED光源的三维光强空间分布。

测试装置结构如图2所示,由基座、支架、测试样品座、旋转机构、探测器支架、光度探测单元、光电转换电路、信号采集电路、设有测试软件的计算机等组成。其中光度探测单元采用独立式结构,包括光度探测器和探测器座。测试样品座安装在旋转机构上,可相对基座按一定角度旋转。

光度探测单元个数的选择,是借鉴配光曲线的检测方法,根据光强空间分布特性的检测要求确定的。现采用了31个光度探测器多路并行同步测试LED光源的光强空间分布特性。光度探测器的数目与光电转换电路和信号采集电路的路数是相同的,并且一一互相对应,即每一路光电转换电路连接1个光度探测器。

光度探测器采用BPW69A型硅光电池,硅光电池将LED发出的光转换为电流信号,器件伏安特性说明当负载电阻较小时,短路电流与照度成正比例关系:

IOPT=POPTη(1)  

基于硅光电池的光生伏特效应和跨阻放大电路来实现光电转换,根据运算放大器“虚短”原理,电流全部流入可调电阻,利用可调电阻以实现放大倍率的控制调节,得到输出电压与入射光照功率良好的线性关系:

V=IOPTRW=POPT?RW?η(2)

其中IOPT为光电流,POPT为光功率或光照度,RW为电阻值,η为转换效率。

31个硅光电池以测试样品座上的待测LED光源发光点为圆心,沿半圆轨迹均匀分布。每一个光度探测器的受光面积是相同的,受光面中心沿法线方向正对发光点圆心,保证相同的测试半径距离,并且光度探测器之间的中心间距也是相同的,夹角θ均为6°。

现采用了8个LM324四运放芯片作为跨阻放大电路,共有32路,系统使用了其中31路,保留一路作为备用。将该光度探测器接收到的LED光源发出的光信号转换为电压信号,然后将这一路电压信号输出到对应的一路信号采集电路。

对于信号采集电路,现选用NI公司的NI2PCI6229数据采集卡,带4路16位模拟输出(833kS/s)和32路16位模拟输入(250kS/s),进行数据的多通道采集和A/D转换后,输入到计算机中,得到LED光源的二维光强空间分布。通过旋转待测LED光源,并测试汇总不同旋转角度的二维光强空间分布,则可以获得三维光强空间分布。

4 测试结果与分析

基于PC和美国NI公司的LabVIEW开发环境,对多通道测试数据进行处理,由于LabVIEW软件隐含了对设计虚拟仪器时所面临的多种情况的考虑,简化了设计过程,容易创建灵活的、可升级的测试、测量和控制应用程序。

LabVIEW中CurveFitting工具包提供拉格朗日插值法曲线拟合、指数曲线拟合、多项式拟合、最小二乘拟合以及多项式插值等曲线拟合方法。利用这些模块,可以很方便地实现自己所要求的曲线拟合以及数据分析功能,同时借助LabVIEW与外部数据采集卡等硬件的结合,快捷地开发系统测试软件,得到LED光源的光强空间分布的二维平面图和三维立体图。

测试时,将待测的LED光源安装在装置中的测试样品座上,保持机械轴的对准和发光点的中心位置,然后将LED驱动恒流源、测试装置电源和计算机电源,测试软件运行,LED光源被点亮,31个光度探测器同步探测不同方向LED光源相对发光强度,可一次性获得LED光源的二维光强空间分布,测试时间小于0.2s,主要就是光电信号转换、采集和数据处理所需时间。

对于同一LED样品,现采用文中介绍的LED光源光强空间分布特性快速测试装置和杭州远方LED622LED光强测试仪,得到基本相同的二维(直角坐标)光强空间分布曲线。测试结果如图3所示,其中曲线1是采用自行开发的快速测试装置测试的二维光强空间分布曲线,曲线2是采用LED622LED光强测试仪记录绘制的二维光强空间分布曲线,图中纵坐标为归一化的相对光强。

通过相对基座旋转LED光源,根据度盘刻度确定转动的角度,设定转动角度为30°,可依次获得6个方向的二维光强空间分布曲线,进而汇总计算得到LED光源三维光强空间分布立体图,如图4所示,测试结果直观可靠。

5 结 论

现提出一种多个光度探测器多路同步测试LED光源光强空间分布特性的测试装置及测试方法,相对于采用一个光度探测器的传统配光曲线测量方法,具有测试速度快,精度高,信息量丰富,更具有实时性和直观性的显著优势。根据光强空间分布特性测试精度的要求,光度探测器的个数一般选择在30个以上,如果选用N个光度探测器,测试速度可提高N倍以上,二维光强空间分布测试可实时一次性完成,三维光强空间分布的快速测试也可轻易实现。因此采用该测试装置和测试方法,不但可以快速、准确、直观的提供丰富的LED光源的光强空间分布信息,而且将为LED光源批量生产过程中的光强空间分布特性在线测试提供切实可行的解决方案。