Led光學參數綜合測試裝置的製作方法

2023-06-06 17:35:21 2

專利名稱：Led光學參數綜合測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學測試領域，主要涉及一種發光器件的光學參數測試裝置，尤其涉及一種可測試發光二極體的發光強度、光強分布、光譜分布及色度等參數的綜合測試裝置。
背景技術：
發光二極體(LED)是一種能發光的半導體二極體，當注入PN結的少數載流子與多數載流子複合時，就會發光，是一種直接把電能轉化為光和輻射能的發光器件。LED相對白熾燈等傳統光源具有功耗小、壽命長、體積小、重量輕、工作電壓低、發光響應時間短，光色純等一系列特性，目前已廣泛應用在指示燈、顯示屏、交通信號燈等諸多領域。隨著高效、大功率LED技術的不斷突破，LED已經成為一種理想的固體照明光源。LED的主要光學參數包括發光強度、光強空間分布、總光通量、光譜及色度參數。目前大多數實驗室對LED各光學參數的測量大多是逐項單獨測試。因此，若要對LED光學性能進行綜合評估需要耗費大量的時間，尤其是光強空間分布測試。目前LED光強分布測試一般採用兩種方法一是被測LED位置固定並用單元探測器圍繞被測LED中心旋轉；二是探測器位置固定，被測LED旋轉。這兩種方法均基於空間逐點測量方法，即被測LED或單元探測器旋轉一周才能獲取被測LED的一條光強分布二維曲線。若要獲取整個空間的三維分布數據需要耗費大量的時間。公開號CN 101566500A的中國發明專利公開了一種LED光源光強空間分布特性測試裝置及測試方法，該專利用多個光度探測單元取代一個光度探測器依次進行多點同步測試而獲得LED光強空間分布。該專利由基座、測試樣品座、光度探測單元、探測器支架、測試電路、計算機和測試軟體組成。其在探測器支架上安裝了 15個或15個以上的光度探測單元，每個光度探測單元均通過傳輸線依次與光電轉換電路、信號採集電路一一對應相連，最後和計算機相連。該測試方法需要測試電路中的光電轉換電路和信號採集電路數目與光度探測單元的數目相同。由於光度探測器接收面較大，不能密集排列，且隨著探測單元的增多，相應的光電轉換電路和信號採集電路也要增多，因此該方法測量LED光強分布時，不利於實現對LED光強空間信息的密集採樣，且電路冗餘，不利於實際使用。LED總光通量的測量目前主要有兩種方法，一種是採用積分球，另一種是採用分布式光度計積分的方法。採用積分球測量總光通量的原理是將被測LED通過與已知總光通量的標準光源進行比對以獲得被測LED的總光通量。由於LED是一種方向性很強的光源，採用積分球測量誤差較大，且不好尋找與之對應的標準LED作參考。採用分布式光度計測量總光通量的原理是基於標準探測器對被測LED發光空間照度分布的絕對測量，然後通過積分的方法獲取被側LED總光通量。雖然該方法可以保證結果非常準確，但是測量時間較長， 程序複雜。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有LED光學參數測量裝置只能對LED單一光學參數進行測試的不足，提供一種LED光學參數綜合測試裝置，該裝置能夠對LED發光強度、光強空間分布、總光通量、光譜及色度參數進行快速測試。為解決上述技術問題，本發明提供的測試裝置包括光源夾持調節機構、弧形接收組件、採集與控制組件和計算機，所述光源夾持調節機構包括水平基座、一維移動平臺和含有夾持調節機構及電控旋轉臺的旋轉裝夾臺，一維移動平臺安裝在水平基座上，旋轉裝夾臺安裝在一維移動平臺上，被測LED通過夾持調節機構固定於電控旋轉臺的中心；所述弧形接收組件包括弧形夾具、弧形集光器、線陣CCD，弧形夾具為四分之一圓周金屬板，其一端通過第一定位調節器安裝在所述水平基座上，另一端裝有光纖探頭和標準光度探頭，光纖探頭和標準光度探頭的中軸線均指向弧形夾具的圓心，弧形集光器由弧形陣列基板和多根光纖組成，弧形陣列基板為四分之一圓周矽板且矽板板寬中心線上均布有多個微型通孔， 弧形陣列基板的一端通過第二定位調節器安裝在所述水平基座上，每根光纖的球面端對應固連在一個微型通孔中，且球面圓心與微型通孔內側端面的圓心重合，光纖的另一端面均勻排列在線陣CCD的光敏面上並用膠固定；當測量LED的光譜和發光強度時，被測LED位於弧形夾具的圓心處，光纖探頭將被測LED的發光信號送入採集與控制組件，標準光度探頭將被測LED的軸向發光信號送入採集與控制組件；當測量LED的光強分布時，被測LED位於弧形集光器的圓心處；光纖的球面端將被測LED發光空間90°範圍內的發光信號會聚到線陣CCD的光敏面上而形成光帶，線陣CCD對光帶信息進行轉換後送入採集與控制組件；所述採集與控制組件包括光譜儀、數據採集單元和控制單元，光譜儀接收所述光纖探頭輸出的光信號並將其轉換成光譜信息送入所述計算機，數據採集單元採集所述標準光度探頭和所述線陣CCD的輸出信號並將採集信號送入所述計算機；控制單元在所述計算機給出的指令控制下，完成對電控旋轉臺和一維移動平臺的驅動；所述計算機裝有各自獨立運行的發光強度測量模塊、光譜及色度測量模塊、光強空間相對分布測量模塊發光強度測量模塊根據輸入的測量條件向所述控制單元發送控制指令，以使被測LED移動到所述弧形夾具的圓心處，根據所述標準光度探頭給出的探測信息和預製在計算機中的照度響應度數據，計算出被測LED的法向發光強度並進行相應的輸出；光譜及色度測量模塊根據輸入的測量條件向所述控制單元發送控制指令，以使被測LED移動到所述弧形夾具的圓心處，根據所述光譜儀測得的光譜數據計算被測LED光譜峰值波長、光譜帶寬、色坐標和色溫並進行相應的輸出；光強空間相對分布測量模塊根據輸入的測量條件向所述控制單元發送控制指令，使被測LED移動到所述弧形集光器的圓心處並按照設置的角度間隔、轉動速度逐點接收所述線陣CCD的輸出信息，逐條繪製出灰度曲線，直到所述電控旋轉臺旋轉一周結束曲線繪製，並輸出被測LED極坐標下的光強三維空間分布。在本發明中，所述計算機中還包括光強空間絕對分布測量模塊，該模塊根據輸入的測量條件，依次調用所述發光強度測量模塊和所述光強空間相對分布測量模塊，根據發光強度測量模塊獲得的法向光強將光強空間相對分布測量模塊獲得的光強三維空間分布轉換成被測LED的發光強度絕對分布並進行相應輸出。在本發明中，所述計算機中還包括總光通量測量模塊，該模塊根據輸入的測量條件，依次調用所述發光強度測量模塊和所述光強空間相對分布測量模塊，根據發光強度測量模塊獲得的法向光強將光強空間相對分布測量模塊獲得的光強三維空間分布轉換成照度絕對分布並進行積分計算，獲得被測LED的總光通量並進行相應輸出。
本發明的有益效果體現在以下幾個方面1)本發明採用裝有光纖探頭和標準光度頭的弧形夾具和弧形集光器，可將LED的光譜、發光強度、光強分布的測試集成在同一水平基座上完成，即通過水平基座上的一維移動平臺實現被測LED在光譜、發光強度和光強分布測試之間的快速切換。與現有技術相比， 本發明裝置整體結構緊湊，布局合理，有效利用了共享資源，避免了被測LED在進行多種光學特性評估時帶來的多次插拔和位置的反覆調整，實現了在同一平臺上對LED多種光學參數的準確測量。2)在本發明中，採用電控旋轉臺、線陣CCD和弧形集光器可對LED發光空間光強分布信息進行快速密集採樣，從而實現了 LED光強空間分布以及總光通量的快速測量。與現有技術相比，信息量豐富，操作簡單、測量過程快速且測量結果準確可靠。


圖1是本發明LED光學參數綜合測試裝置的組成示意圖。圖2是基座及弧形接收組件關係示意圖。圖3是弧形微孔陣列基板的立體示意圖。圖4是弧形微孔陣列的剖視圖。圖5是綜合測試裝置中計算機的主控流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖及優選實施例對本發明作進一步的詳述。根據圖1所示，LED光學參數綜合測試裝置的優選實施例包括光源夾持調節機構、 弧形接收組件、採集與控制組件和計算機17。光源夾持調節機構包括水平基座1、一維移動平臺2和含有夾持調節機構5-2及電控旋轉臺5-1的旋轉裝夾臺5。一維移動平臺2安裝在水平基座1上，旋轉裝夾臺5安裝在一維移動平臺2上，被測LED6通過夾持調節機構5-2 固定於電控旋轉臺5-1的中心。一維移動平臺2選用北京卓立漢光儀器有限公司KSAXXX-11/12系列精密電控平移臺，用於帶動旋轉裝夾臺5沿水平基座1移動，使旋轉裝夾臺5到達準確的測試位置。夾持調節機構5-2用於被測LED的夾持固定、電氣連接以及通過俯仰和兩維平移運動實現被測LED6的位置調整，能夠使LED的發光端面位於水平面內。電控旋轉臺5_1選用北京卓立漢光儀器有限公司的RSA系列電控旋轉臺，在計算機17的控制下，能夠實現在水平面內的旋轉。根據圖2所示，弧形接收組件包括弧形夾具7、弧形集光器、線陣(XD12，其主要功能是探測和採集被測LED6的發光信號。弧形夾具7為四分之一圓周金屬板，其一端通過第一定位調節器3安裝在所述水平基座1上，第一定位調節器3為螺旋升降機構，可對弧形夾具7高度進行微調。另一端裝有光纖探頭10和標準光度探頭11，光纖探頭10和標準光度探頭11的中軸線均指向弧形夾具7的圓心0'，可同時將被測LED6的發光信號送入採集與控制組件，光纖探頭10為通用光纖光譜儀的標準配件，標準光度探頭11選用杭州遠方公司的LED專用標準光度探測器。弧形夾具7頂部末端帶有裝夾調節裝置，用於安裝標準光度探頭11，並可通過緊固位置變化調節標準光度探頭11到被測LED6發光端面中心的距離，使其滿足CIE (國際照明委員會)規定的LED發光強度測量標準條件(CIE標準條件A :316mm, CIE標準條件B :100mm)。弧形集光器由弧形陣列基板8和多根光纖9組成，弧形陣列基板 8為四分之一圓周矽板且矽板板寬中心線上均布有多個微型通孔8-1 (參見圖幻。弧形陣列基板8的微型通孔8-1可通過製版、光刻、腐蝕等工藝處理後刻蝕出來，各微型通孔8-1 的軸線均指向弧形微孔陣列基板8的圓心0。弧形陣列基板8的一端通過第二定位調節器 4安裝在所述水平基座1上，第二定位調節器4與第一定位調節器3結構相同，可對弧形陣列基板8的高度進行微調。每根光纖9的一端面加工成球面(參見圖4)，類似於凸透鏡，對光起會聚作用，球面一端對應固連在一個微型通孔8-1中且球面圓心與微型通孔8-1內側端面的圓心重合。光纖9的另一端面均勻排列在線陣CCD12的光敏面上並用膠固定。當測量LED的光譜和發光強度時，被測LED6位於弧形夾具7的圓心0'處，光纖探頭10將被測 LED6的發光信號送入採集與控制組件，標準光度探頭11將被測LED6的軸向發光信號送入採集與控制組件；當測量LED的光強分布時，被測LED6位於弧形集光器的圓心0處；光纖9 的球面端頭將被測LED6發光空間90度範圍內的發光信號會聚到線陣CCD12的光敏面上而形成光帶，線陣(XD12對光帶信息進行轉換後送入採集與控制組件。採集與控制組件包括光譜儀13、數據採集單元15和控制單元16，光譜儀13接收光纖探頭10輸出的光信號並將其轉換成光譜信息送入計算機17。光譜儀13選用美國海洋光學公司的USB4000-UV-VIS型光纖光譜儀，工作波長範圍為200nm 850nm。數據採集單元15採集標準光度探頭11和線陣CCD12的輸出信號並將採集信號送入計算機17。數據採集單元15選用美國OT公司的USBX系列多功能數據數據採集設備，內部帶有放大器、A/D 變換器和數據存儲器，其功能是採集標準光度探頭11和線陣CCD12的輸出信號；控制單元 16為常用的驅動電路，在計算機17給出的指令控制下，完成對電控旋轉臺5-1和一維移動平臺2的驅動。安裝在計算機17中的測量軟體包的主要工作流程參見圖5，測量軟體包根據功能劃分為發光強度定標模塊、光譜及色度測量模塊、光強空間相對分布測量模塊、總光通量測量模塊和光強空間絕對分布測量模塊，各模塊可以獨立運行，以對相應的測量信息進行處理和運算，最終獲得被測LED16的光譜、色度參數、發光強度及其空間分布以及光通量等。發光強度測量模塊由功能命令、平臺移動、採集計算、結果顯示四個單元組成。功能命令包括「開始測試」、「停止測試」、「退出」按鈕和測量條件選項框。在界面上測量條件選項框中選擇測試所需的CIE標準條件A或B ；平臺移動單元發送指令給控制單元16使一維移動平臺2將被測LED6移動到達位置0'；調節標準光度探頭11位置使得位置0'至標準光度探頭11接收面的距離滿足選擇的CIE標準條件A或者B。調整完畢後，點擊功能命令中的「開始測試」按鈕，採集計算單元隨即發送指令給數據採集單元15，將標準光度探頭11獲得的信號放大和數位化後傳輸給計算機，並利用計算機中事先存儲的標準光度探頭11的照度響應度數據計算出被測LED的法向發光強度值；結果顯示單元將被測LED的法向發光強度值在計算機顯示屏的界面結果顯示框中顯示。光譜及色度測量模塊由功能命令、平臺移動、採集計算、結果顯示四個單元組成。 功能命令包括「開始測試」、「停止測試」、「退出」和「列印」按鈕；點擊「開始測試」按鈕，平臺移動單元發送指令給控制單元16使一維移動平臺2將被測LED6移動到達位置0'；採集計算單元隨即發送指令給光譜儀13，將光譜儀13測得的光譜數據傳輸給計算機，並通過光譜數據根據相應的公式計算出光譜峰值波長、光譜帶寬、色坐標、色溫。結果顯示單元在計算機顯示屏的界面結果顯示框中以圖形的形式顯示被測LED的光譜分布曲線，以列表的形式顯示光譜峰值波長、光譜帶寬、色坐標、色溫數值。光強空間相對分布測量模塊由功能命令、平臺控制、採集計算、結果顯示四個單元組成。功能命令包括「開始測試」、「停止測試」、「退出」按鈕。點擊「開始測試」按鈕後，平臺控制單元發送指令給控制單元16，使一維移動平臺2將被測LED6移動到達位置0並讓電控旋轉臺5-1按照設置的角度間隔、轉動速度轉動；採集計算單元隨即發送指令給數據採集單元15，逐點接收線陣CCD12獲得的輸出信息。電控旋轉臺5-1每旋轉一個角度，數據採集單元15便記錄下對應的測量數據並傳輸給計算機保存；電控旋轉臺5-1旋轉完一周後，計算機結束曲線繪製，結果顯示單元在計算機顯示屏的界面結果顯示框中顯示輸出被測LED6 在極坐標下的光強三維空間相對分布。光強空間絕對分布測量模塊由功能命令、計算、結果顯示三個單元組成。功能命令包括「開始測試」、「停止測試」、「退出，，按鈕。點擊「開始測試」按鈕後，該模塊依次調用發光強度測量模塊和光強空間相對分布測量模塊。調用完畢後，計算單元根據發光強度測量模塊獲得的法向光強將光強空間相對分布測量模塊獲得的三維空間上各點的相對光強值轉換成絕對光強值。結果顯示單元輸出被測LED6在極坐標下的光強三維空間絕對分布。總光通量測量模塊由功能命令、計算、結果顯示三個單元組成。功能命令包括「開始測試」、「停止測試」、「退出」按鈕。點擊「開始測試」按鈕後，該模塊依次調用發光強度測量模塊和光強空間相對分布測量模塊。調用完畢後，計算單元利用發光強度測量模塊獲得的法向光強和事先存儲的標準光度探頭11的照度響應度數據將光強空間相對分布測量模塊獲得的三維空間上各點的絕對光強值轉換成照度值，再將空間各點的照度值在整個半球面上進行積分，積分的結果即為總光通量。結果顯示單元在計算機顯示屏的界面結果顯示框中顯示總光通量。
權利要求
1.一種LED光學參數綜合測試裝置，包括光源夾持調節機構、採集與控制組件和計算機(17)，其特徵在於還包括弧形接收組件，所述光源夾持調節機構包括水平基座(1)、一維移動平臺( 和含有夾持調節機構(5- 及電控旋轉臺(5-1)的旋轉裝夾臺(5)，一維移動平臺( 安裝在水平基座(1)上，旋轉裝夾臺( 安裝在一維移動平臺( 上，被測 LED(6)通過夾持調節機構(5-2)固定於電控旋轉臺(5-1)的中心；所述弧形接收組件包括弧形夾具(7)、弧形集光器、線陣CCD(U)，弧形夾具(7)為四分之一圓周金屬板，其一端通過第一定位調節器C3)安裝在所述水平基座(1)上，另一端裝有光纖探頭(10)和標準光度探頭(11)，光纖探頭(10)和標準光度探頭(11)的中軸線均指向弧形夾具(7)的圓心 (0')，弧形集光器由弧形陣列基板(8)和多根光纖(9)組成，弧形陣列基板(8)為四分之一圓周矽板且矽板板寬中心線上均布有多個微型通孔(8-1)，弧形陣列基板(8)的一端通過第二定位調節器(4)安裝在所述水平基座(1)上，每根光纖(9)的球面端對應固連在一個微型通孔(8-1)中，且球面圓心與微型通孔(8-1)內側端面的圓心重合，光纖(9)的另一端面均勻排列在線陣CCD (12)的光敏面上並用膠固定；當測量LED的光譜和發光強度時，被測LED (6)位於弧形夾具(7)的圓心(0')處，光纖探頭(10)將被測LED (6)的發光信號送入採集與控制組件，標準光度探頭(11)將被測LED(6)的軸向發光信號送入採集與控制組件；當測量LED的光強分布時，被測LED (6)位於弧形集光器的圓心(0)處；光纖(9)的球面端將被測LED(6)發光空間90°範圍內的發光信號會聚到線陣CCD(12)的光敏面上而形成光帶，線陣CCD(U)對光帶信息進行轉換後送入採集與控制組件；所述採集與控制組件包括光譜儀(13)、數據採集單元(1 和控制單元(16)，光譜儀(1 接收所述光纖探頭(10) 輸出的光信號並將其轉換成光譜信息送入所述計算機(17)，數據採集單元(1 採集所述標準光度探頭(11)和所述線陣CCD(U)的輸出信號並將採集信號送入所述計算機(17)； 控制單元(16)在所述計算機(17)給出的指令控制下，完成對電控旋轉臺(5-1)和一維移動平臺( 的驅動；所述計算機(17)裝有各自獨立運行的發光強度測量模塊、光譜及色度測量模塊、光強空間相對分布測量模塊發光強度測量模塊根據輸入的測量條件向所述控制單元發送控制指令，以使被測LED(6)移動到所述弧形夾具(7)的圓心(0')處，根據所述標準光度探頭(11)給出的探測信息和預製在計算機(17)中的照度響應度數據，計算出被測LED(6)的法向發光強度並進行相應的輸出；光譜及色度測量模塊根據輸入的測量條件向所述控制單元發送控制指令，以使被測LED(6)移動到所述弧形夾具(7)的圓心(0') 處，根據所述光譜儀(1 測得的光譜數據計算被測LED(6)光譜峰值波長、光譜帶寬、色坐標和色溫並進行相應的輸出；光強空間相對分布測量模塊根據輸入的測量條件向所述控制單元發送控制指令，使被測LED (6)移動到所述弧形集光器的圓心(0)處並按照設置的角度間隔、轉動速度逐點接收所述線陣CCD(12)的輸出信息，逐條繪製出灰度曲線，直到所述電控旋轉臺(5-1)旋轉一周結束曲線繪製，並輸出被測LED(6)極坐標下的光強三維空間分布。
2.根據權利要求1所述的LED光學參數綜合測試裝置，其特徵在於所述計算機中還包括光強空間絕對分布測量模塊，該模塊根據輸入的測量條件，依次調用所述發光強度測量模塊和所述光強空間相對分布測量模塊，根據發光強度測量模塊獲得的法向光強將光強空間相對分布測量模塊獲得的光強三維空間分布轉換成被測LED(6)的發光強度絕對分布並進行相應輸出。
3.根據權利要求1或2所述的LED光學參數綜合測試裝置，其特徵在於所述計算機中還包括總光通量測量模塊，該模塊根據輸入的測量條件，依次調用所述發光強度測量模塊和所述光強空間相對分布測量模塊，根據發光強度測量模塊獲得的法向光強將光強空間相對分布測量模塊獲得的光強三維空間分布轉換成照度絕對分布並進行積分計算，獲得被測LED (6)的總光通量並進行相應輸出。
全文摘要
本發明公開了一種LED光學參數綜合測試裝置，屬於光學參數測量技術領域。其技術特點是，裝有一維移動平臺的水平基座一端固定帶光纖探頭和標準光度探頭的弧形夾具，另一端固定由弧線光纖陣和線陣CCD構成的弧形集光器，放置被測LED的旋轉裝夾臺安裝在一維移動平臺上；光纖探頭採集的光信息通過光譜儀轉換成光譜帶後送入計算機，標準光度探頭和線陣CCD的輸出通過數據採集單元送入計算機，計算機通過測量軟體對測量數據進行相應的處理和運算，最終獲得被測LED的發光特性。本發明解決了在一臺測量儀器上實現對LED的綜合測量問題，具有操作簡單、結構緊湊，測量快速、易於實現等特點。
文檔編號G01J1/42GK102213615SQ20111008149
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月1日 優先權日2011年4月1日
發明者佔春連, 盧飛, 呂春力, 李正琪, 李燕, 楊峰, 楊鴻儒, 陳超 申請人:中國兵器工業第二〇五研究所