基于led的照明和显示系统因其低成本、灵活性和效率而越来越受欢迎。因此,测量led的光和颜色输出变得更加重要,因为它们的性能是与传统技术进行比较和评估。此外,必须理解和控制设备之间的固有性能变化。

精确的光学设计需要高分辨率的LED光和颜色输出测量。

在测量LED和基于LED的系统中,测量方法和系统的选择将是测量目标的功能,并且很可能会适应LED的特定性质。测量目标跨越告知或评估一个LED或基于LED的系统设计,表征一个光源,评估源的验收测试或质量控制,或修改和控制性能。

标准和建议对于哪些测量量是重要的以及如何测量它们是重要的指导,特别是在描述led在照明系统中的使用时。对于进厂或出厂的质量检查,一组指标数量很可能就足够了,简化了所需的测量。在所有情况下,重要的是测量与人类对光和颜色的感知有关。

与其他光源相比,led有几个有趣的特性。首先,封装中LED模具的放置会显著影响光的输出方向。其次,当led最初打开时,需要一段时间——可能是几分钟——来稳定。第三,它们本质上是窄带光源,所以创造白光需要某种形式的颜色混合。第四,led的输出会随电流变化,呈非线性变化。最后,由于电子耗尽,led的效率会随着时间的推移而降低,因此使用“老化”,亮度会随着时间的推移而降低。在测量led时,所有这些因素都应该考虑在内。

描述LED的亮度和颜色

led和一般光源的性能可以用其输出功率的角分布作为波长的函数来描述。把输出功率直接描述为波长的函数称为辐射法。为了描述人眼所感知的亮度和颜色,这种光谱功率分布根据人眼感知不同波长的方式进行加权,并集成为光度(人眼所感知的亮度)或色度(人眼所感知的颜色)描述。

LED的亮度:亮度以光强来衡量,光强是光源按给定方向按单位立体角发出的重量(根据人的感觉)。

光强以坎德拉(cd)为单位描述。一个相关的量是亮度,即单位面积在特定方向发出的发光强度。亮度单位为坎德拉每平方米(cd/m)2),通常被称为“nit”。

领导的颜色:光源的颜色,同样是在一个特定的方向上,用颜色空间来描述,其中最常见的是CIE 1931颜色空间。在这里,颜色是根据XYZ坐标(或三刺激值X、Y和Z)定义的,其中Y坐标是源的亮度,色度参数来自X、Y和Z。

另外两个描述光源颜色的量通常很有用。首先,它的相关色温(CCT),这是技术上最接近黑体辐射的色温。CCT以开尔文(K)来测量。在技术上,较高的CCT(>5000°K)是“较冷的”(更蓝),较低的CCT(<3000°K)是“较暖的”(更黄)。第二,光源的显色指数(CRI)是与自然(理想)光相比,被照明物体的颜色外观准确性的衡量标准。CRI可以从光源的光谱测量中得到。不幸的是,CRI作为一个描述量是有问题的。它提供了指示性信息,但在某些情况下是不准确的;定义CRI的新方法正在积极研究中。

为了完整地描述一个LED系统,这些辐射、光度或比色量需要描述为相对于光源的角度的函数。

测量注意事项

这就产生了三个有趣的度量注意事项。首先,为什么要测量呢?其次,需要什么样的角粒度?第三,这个源是点源还是扩展源?

为什么要进行测量的问题不仅仅是一个哲学问题。如果为了建模目的而进行度量来描述一个源,那么可以认为一个理论模型就足够了。一般来说,光源作为一个系统的潜在复杂性和理论上理解的潜在误差足以使测量成为首选,因为它是光源的真实描述。当然,对于评价、检查或控制来说,拥有特定于设备的真实数据是必要的,因为测量是关键。

在某些应用中,从一个视角进行点测量或单个集成测量就足够了。但对于大多数应用来说,亮度和颜色随角度的变化是器件的一个重要属性,特别是对于led来说,由于封装中模具放置位置的制造变化——微小的变化可能导致分布的显著变化。有两种角度测量:一种是捕获和测量所有所需的输出光,另一种是在网格上采样角度数据。在后一种情况下,角测量之间的间距可以根据预期的连续性和分布的变化率来确定。

近场和远场测量

对于某些应用(如评估LED指示灯的亮度),可以将光源视为点光源。对于其他应用,如用于光学设计的LED或LED灯具,光源应被视为扩展光源,即具有物理范围的光源,因此光源上的点到点的光输出具有空间变化。在这种情况下,需要以一种产生更详细分布的方式来度量源。将光作为点光源进行测量会产生远场测量。将光源作为扩展光源进行测量,可以得到光源的近场模型。

在应用中,为了光学设计目的,近场模型被表示为射线集。射线集的质量和用途将是射线集中的射线数量的函数,以及如何根据源的近场测量对射线进行统计抽样。常用的统计抽样方法有简单蒙特卡罗抽样和重要抽样。重要性采样权值是根据光源上发射的点的亮度进行的,而不是仅仅选择具有相同权值的起始点。

近场模型可以外推到远场模型,但反过来就不正确了。这是因为远场模型是具有坍缩光源的近场模型的极限情况。根据经验法则,光学器件的近场和远场区域之间的边界大约是光源最大尺寸的10倍。对于LED来说,这是几厘米,但对于灯具来说可能是几十米。在这个范围之外,远场模型和近场模型将给出本质上相同的结果。

成像比色法

源成像测角仪。有两个独立的旋转轴,源成像测角仪保持DUT(被测设备)和成像比色计之间的精确定位。

要考虑的第四个测量问题是相对于单点或点测量而言,需要空间数据。光斑比色计或光谱辐射计只测量光源上或周围的一个光斑——这个“光斑”实际上是在一些常规区域上的积分。这可能会提供一些有用的信息;当需要空间信息时,它对于测量源或显示不是很有效。

成像比色计-校准ccd相机与CIE匹配的照片和颜色滤镜-克服了这些问题,提供相当于数百万的同时在空间网格上的聚光灯读数。一个典型的成像色度计由全帧或行间CCD、摄影或色度滤镜和镜头组成。CCD的选择取决于应用,当图像采集没有间隙和需要更高的动态范围时,首选全帧CCD。CCD可以被冷却和温度控制以降低噪音水平。仔细的电子设计和读取速度的调节也将降低系统噪音。所述照相或比色滤光片优选地专门设计以使系统与CIE的红、绿、蓝颜色曲线相匹配。整个系统,包括镜头,通常是广泛校准,以消除任何光学像差或CCD变化的影响。

LED屏幕性能测量。使用成像色度计可以同时测量数以万计的led的光和颜色输出以及它们的空间关系。应用软件可以方便地分析它们的复杂关系。

虽然并不是所有应用于led和基于led的系统的测量方法都需要使用成像色度计,但通过使用一个同时捕获多个阵列的测量结果,这些测量通常可以进行更广泛或更快。这在测量扩展光源、LED阵列或LED显示器时尤为重要。在每种情况下,空间关系都是描述和理解系统所需的数据的关键组成部分。

仅测量感光信息的成像色度计称为成像光度计。为了便于描述各种测量方法,我们将参考成像色度计,但也可以使用成像光度计,但有明显的局限性。

领导的测量设备

测量LED模具或封装LED通常是在研发中进行的,以评估不同的设计方案或详尽地描述LED的性能。

与源成像测角仪

光源成像测角仪(图2)是为了非常精确地测量光源的近场亮度分布而设计的。虽然有许多可能的物理配置,但它们几乎都移动了成像色度计在光源周围,并从多个——通常是数千个——视角捕获光源的输出光分布。这些信息可以存储为原始数据,也可以实时转换为光线集。两种数据表示都被认为是近场模型。

描述源成像测角仪物理精度的关键属性被捕获在一个称为“摆动”的参数中——这是当系统移动到各种测量位置时,系统焦点从其原点的最大偏移。对于测量一个LED模具,它可以是0.5毫米的跨度,这个摆动应该不超过几十微米(即,只有模具尺寸的百分之几)。在测量封装的led和任何其他光源时,也需要类似的精度要求。

另一个关键属性是所用光学系统的质量。该系统应该有一个足够小的视场,以允许足够的CCD像素映射到光源的表面,以看到LED模具或设备上任何相关的精细尺度细节。

光源成像测角仪近场模型最全面地反映了LED模具和器件的亮度和颜色输出作为角度的函数。由于一次扫描包含数千张图像,因此对于单一的扫描源,通常需要几个小时才能完成这些测量。通过降低角度分辨率、成像光学或允许的误差,可以实现更快的测量时间,但这对于LED芯片和器件特性来说是无法接受的。源成像测角仪的最新进展包括同时获取光谱数据。

用积分球

积分球提供了一种测量LED总光输出或积分光输出的方法。根据使用的传感器,可以获得辐射测量、光谱测量、光度测量或比色测量。一个积分球通常不捕捉与这些量相关的角信息。积分球的操作非常简单:将LED放入球中,反射球周围的光,然后在球上的一个端口测量积分光。

积分球测量的优点是非常快,而且很容易更换传感器来获得辐射测量、光谱测量或比色测量。这些测量值可以用来评估或处理led。主要的限制是无法获得角度信息,因此无法检测到不对准的LED封装(导致LED光的方向输出是倾斜的)。

与光电测角计

光电测角仪通过使用测角仪相对于LED设备移动色度计(或光谱直径计)来测量LED的远场分布。它的优点是允许使用多个测量设备来改变从扫描中获得的信息。光电测角仪的缺点是进行测量所需的时间长度和达到所需机械精度的复杂性。

结论

由于led的应用范围很广,辐射测量、光敏测量和比色测量方法的应用范围也相当广泛。这些方法平衡了测量时间、分辨率、信息内容和物流,以满足研发、制造和现场应用的需求。

在测量led时最重要的问题是:需要近场数据还是远场数据?需要角度数据吗?是否需要阵列测量?这些问题的答案将指明度量选项。在许多情况下,使用成像色度计是最佳的,因为它可以捕获大量的同时,空间相关的测量。它也足够灵活,可以与角测量系统或其他光学(例如,成像球)相结合,以快速和高粒度测量光和颜色分布。

随着LED设计和应用的不断进步,成像色度计如何用于测量它们(例如,通过集成光谱测量)和改善它们的性能(例如,通过校正LED视频显示器)也在不断进步。

本文由SphereOptics GmbH (Herrsching Germany)销售经理Christina Fatho和Radiant Vision Systems, LLC (Redmond, WA)销售和营销副总裁Hubert Kostal博士撰写。欲了解更多信息,请联系Kostal博士此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。或访问在这里


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本文首次发表于2017年5月号NASA技yabovip16.com术简介杂志。

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