LED光强计校准方法研究.pdf

光强计校准方法研究康品春（厦门市计量检定测试院）摘要：校准是保证仪器设备测量结果准确可靠的计量手段，光强计是测量 平均发光强度参数的重要仪器。本文针对其计量特性，提出 标准管直接测量法和 标准光度计比较法两种校准方法，并进行研究。研究表明：两种方法均可实现对 光强计的可靠校准，保证测量结果可溯源至国家计量基标准，保障 产业健康发展。关键词：计量；光强计；校准 ：，：；引言 光强计是测量 平均发光强度参数，应用于 产品研发、工艺制程和出厂检验，是 产品质量控制的重要仪器。可靠的校准可保证 光强计计量特性一致，测量结果准确，并可溯源至国家计量基标准 。它是用于测量工作电流一般为 的 光度特性的仪器，一般由 供电夹持装置、光路、光度探头及信号处理转换显示模块组成 。根据 国际标准中规定的 平均发光强度测量的标准条件 和标准条件 （“远场”和“近场”），测得的 发光强度即为 平均发光强度，单位：。因此，光强计从测量条件到光探测器计量特性只有满足 标准要求，才可用于 平均发光强度的测量。光强计的测量原理如图 所 示，光 度 探 头 有 效 接 收 面 积 为 ，前端面与光度探头接收面的距离为 时，测得的发光强度为 标准条件 （远场）的 平均发光强度值；距离 时，为 标准条件 （近场）的 平均发光强度值 。其中，光度探头及配套光度计可采用符合要求、可用于 测量的光纤头及其配套光谱辐射计代替。康品春：光强计校准方法研究?图 平均发光强度测量示意图 光强计的校准方法 光强计的校准采用 标准管直接测量法和 标准光度计比较法，得到测量结果修正因子，来保证 测量应用的准确一致。由于 对温度敏感，校准时应控制环境温度，因此，环境为光学暗室，或保证校准时不受环境光干扰。光强计光度探头需与人眼明视觉光谱光视效率曲线 （）匹配，一般采用失配因子 。光度计一般采用钨丝灯等 标准 光源定标，但由于 灯与钨丝灯发光光谱存在较大差异，能量集中于峰值波长附近，因此，当 小于 时，测量白光 引入的误差较小，应考虑其测量不确定度；当 大于 或测量单色 时，除校准使用的标准光源与被测 为同类型同颜色外，应采取光谱失配修正 。标准管直接测量法校准小功率 光强计时，应尽量选择与条件测量的 管同色同类型的 标准管。若 标准管与被测量的 管存在明显不同的相对光谱功率分布，则应进行光谱失配修正；若选择小功率 光强计，则采用可用于 测量的光纤头及其配套光谱辐射计进行 平均发光强度测量，且不进行光谱失配修正。标准管采用恒流方式供电，测量时控制管电流为额定值，同时监测管电压。单管点亮后预热不少于 ，发光稳定时方进行测量。按被校小功率 光强计的特性，参照 标准中条件 、条件 的几何条件，使用被校 光强计分别对 标准管的 平均发光强度值测量三次，并取三次平均值作为测量结果。将各标准管测量结果与标准值进行比较，则 平均发光强度示值偏差为：，（）式中：、，平均发光强度示值偏差、测量值和标准值，；不同颜色 的测量序数。平均发光强度相对示值偏差为：，（）小功率 光强计的 平均发光强度修正因子为：，（）采用一组 标准管组，对某一型号的 光强计进行校准，标准管包括白、红、绿、蓝四种颜色，每种颜色 支，发光性能稳定。标准管按 小功率 单管校准规范 溯源至中国计量科学研究院 ，校准数据见表 。表 标准管直接测量法校准数据 标准颜色标准值 测量值 相对示值偏差修正因子条件 白 （）红 绿 蓝 条件 白 （）红 绿 蓝 标准光度计比较法在测光导轨上安装点亮标准灯，标准灯为相关色温 卤钨灯（标准照明体 ），待发光稳定后，按 标准中条件 、条件 的几何条件，分别采用 标准光度计和被校小功率 光强计测量标准灯 次，并取 次的平均值作为测量结果。将 标准光度计测量结果与小功率 光强计光度探头进行比较，按式（）计算 平均发光强度示值偏差为：（）式中：、分别为 平均发光强度示值偏差、被校光度探头测量结果和 标准光度计测量结果，。平均发光强度相对示值偏差为：（）计量与测试技术 年第 卷第 期小功率 光强计的 平均发光强度修正因子为：（）表 标准管直接测量法校准数据 标准标准值 测量值 相对示值偏差修正因子条件 （）条件 （）平均发光强度测量的光谱失配修正当 光强计测量的 管与校准时选择的 标准管（标准灯）的相对光谱功率分布不同时，按式（）进行光谱失配修正：，（）式中：，、，、分别为 平均发光强度修正后的测量值、光度计测量显示值和光谱失配修正因子。小功率 光强计光度探头的相对光谱响应与测量的 的相对光谱功率分布需提前获得。（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）、（）被测 管和标准标准 管（标准灯）的相对光谱功率分布；（）光度探头的相对光谱响应度；（）明视觉光谱光视效率。结论（）标准管直接测量法选择的标准 管与业界常见的被测 产品具有较为接近的形式和光谱功率分布，在充分考虑测量不确定度的情况下，通过校准给出不同的修正因子，避免了严格光谱失配修正，简化了 测量对人员的专业要求和操作的复杂性。（）标准光度计比较法通过提前获得的光度计光谱响应和被测 的光谱分布提前进行光谱失配修正，降低了光谱失配引入的测量不确定度，并将光度计直接溯源至现有的以卤钨灯为主的国家光度计量基标准，使用者可选择确定量值的被测 对光度计测量结果进行不定期比对验证。综上所述，针对 光强计当前校准和测量应用，两种校准方法都可保证 测量结果可溯源至国家光度计量基标准，且方便测量应用。参考文献 康品春，周萍 测量用光谱辐射计的校准研究 中国照明电器，（）：发光强度测试仪 刘建，刘慧，赵伟强，等 测量距离对发光二极管平均发光强度的影响 光学学报，（）：刘慧 计量与测试 照明工程学报，（）：小功率 单管校准规范 （上接第 页）原因是：积分球对激光功率有定量衰减功能，实验所搭建的系统衰减比例较大，导致输出功率无法测量；且根据推导，无法直接得到输出激光功率与输入功率之间的理论关系。因此，该描述较为模糊，容易造成误导。（）所用的积分球激光功率测量系统，只适用于可见光波长范围（）的激光功率测试。因此，超出该范围时，可考虑对其他波段有响应的光度探测器。（）通过分析可知，系统测得值的不确定度来源于激光源的不稳定性、光度探测器的示值不确定度、环境光的干扰及对系统造成影响的其他不确定性因素。因此，可采用相应措施，提高系统各部分的测量精度，从而减小实际测量与理论值差异。结语综上所述，本文根据现有针对大发光面积的激光功率检测的标准，对采用积分球进行激光器功率检测的原理进行推导及实验验证。实验证明：该系统具有准确性。但为了提高测量系统的适用性，需探索稳定性和准确性更高的测量方法。参考文献 激光辐射功率和功率不稳定度测试方法 陈端云，苏素燕，林茜，等 光功率计发展现状的探讨与研究 计量与测试技术，（）：颜台永 积分法测量光通量的原理 福建轻纺，（）：张芳，高教波，王军，等 积分球光谱辐射度建模与实验分析 应用光学，（）：袁林光，占春连，卢飞，等 大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究 应用光学，（）：康品春：光强计校准方法研究