關于積分球測試準確性的經驗分享

目前業界對于LED光源及燈具的光色電性能快速測量，*常用的設備是積分球系統。作為一名專業第三方檢測認證機構的測試人員，我們在與客戶的交流過程中經常有客戶會問到這樣一個問題——選擇什么樣的積分球測試系統在設備穩定性及測試結果精準度方面更高？所以下面針對上述疑問，我非常樂意把我多年從事積分球系統檢測的心得以及目前我司使用的積分球測試系統分享給大家，并把我們所碰到的疑惑羅列出來，做一下討論，以資學習借鑒并釋疑解惑。

這篇文章，我首先想從積分球涂料及系統校正用的標準燈兩方面進行闡述；后續的文章我會再從輔助燈、測量計算方法、光譜儀、配套電學儀器、LM-79-08標準的要求、具體實現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產品的光通量測量在測試準確性方面對設備提出了很大的挑戰。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置是固定的，而不同的反射分布直接表現為信號起伏。在普通的測量系統中，不同的正向發散角的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，表現出來的測量值也表現出極大的差異性。根據客戶的驗證結果，普通LED測量系統LED的放置方向對光通量測量結果的影響往往超過50%(這一點尤其在國產設備上表現特別明顯)。在測量不同LED不同發光角度時，由于在積分球內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確性的差異。如圖1所示。

圖1 不同發光角度的不同LED測量時的影響

另一方面LED測量系統通常使用鹵鎢燈作為標準光源，使用的標準燈本身與LED無論是在外形上、發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的方向性對測量準確性影響的一個重要原因是積分球的內表面反射特性。在普通的LED測量系統中，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境下氧化、變色，這些都會造成數據測試誤差。目前我司使用的進口美國藍菲積分球系統，其球體內壁噴涂藍菲**Spectraflect涂料，該涂層在可見光光譜范圍內具有很高的反射率。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致的一個結果就是，LED的直接照射光經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生強烈的陰影效應。而導致測量不準確的原因正是直的反射光和陰影效應。

另外較低的漫反射率對信號的衰減非常嚴重。由于光測量過程中，光在積分球內多次反射，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。而實際上積分球內的反射率差別遠遠不止于此。

另外目前的積分球測試系統還沒有用于儀器校正用的標準LED光源，在測量過程中，還是使用校準的穩定驅動的鹵鎢燈作為標準光源。由于標準燈的外形結構和待測LED的差別很大，LED支架對光有吸收效應，以及標準燈安裝位置與LED安裝位置的差別，這些也是影響測量結果準確性的重要因素。

解決方案及測試結果：

在目前的積分球測試系統中，為了克服以上這些問題，提高測試數據精準性，通常采用指定LED以特殊的安裝方向進行測試，或者將系統設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，不同發光角度的LED的測試以及反射率等影響仍然需要解決。