积分球测量系统在LED照明产品检测中的应用

积分球测量系统是灯具行业最为常见的光色测量设备，其测量结果能满足多数产品的研发和检测需要，是一种较为经济的测量手段。以下简单介绍积分球测量系统的工作原理及其在LED照明产品测量中的基本要求。

1. 积分球的测量原理

在光源测试过程中，积分球的主要功能是作为光收集器使用，是光度测量系统的重要组成设备。积分球是一个中空的球体，外壳一般采用金属板材分片焊接或整体旋压制成，内壁喷涂反射涂料。

由于积分球内壁涂层材料的能带间隙很高，对光能量几乎不会产生吸收，因此没有光损失。当被测光源安装在积分球中心位置时，光线在球内经过多次反射及漫反射后，均匀地分布在球的内壁上。通过测量积分球内壁某一小块面积的光能量，就可以计算出光源所散发的全部光能量。

根据搭配的光度测量设备的不同，积分球测量系统分为积分球光度计测量系统和积分球光谱分析系统两类。前者使用光度探头作为检测器，配合光度计来测量光参数；后者使用光纤采集球壁的光线，并配合光谱仪来测量光度、色度及辐射度等参数 。

以积分球搭配光度探头为例，光通量的测量原理如下图所示。在积分球内，光源S在球壁上任意一点B上产生的光照度是由直射光和多次反射光产生的光照度迭加而成的。由积分学原理可得，球面上的光照度是均匀的，在任意一点B上的光照度E 为：

E₀ – 光源S直接照射在B点上的光照度

r – 积分球半径

ρ – 积分球内壁反射率

E₀的大小不仅与B点的位置有关，也与光源在球内的位置有关。为了去除直射光的不确定性影响，可以在光源S和B点之间放置一个挡光板，遮挡掉直接射向B点的光线，此时E₀=0，则在B点的光照度为：

由于积分球半径r和涂层反射率ρ均为常数，因此在球壁上任意位置的光照度E与光源的光通量Φ之间就成正比关系。

其中K值称为测量系统的响应常数。这样，依据积分光度法的测量原理，通过测量球壁上任意位置的光照度，就可以通过以下公式求出光源的光通量Φ:

（光通量 = 照度 x 面积）

 

2. 如何获得灯具样品的真实测量值

积分球测量系统是基于比较法（也称为替代法）来获得样品的真实测量值，即选一个已知数值的标准体，用样品的测量值与之比较，从而求出样品的数值。在积分球测量系统中的标准体就是标准灯泡，样品的光通量是与标准灯泡的光通量相比较后计算得到的。

积分球光度计测量系统的比较法测量步骤如下：

• 先将一个光通量为已知值Φs的标准灯放入积分球，读出照度值Es：

• 然后用待测光源替代标准灯，读出照度值Ec：

• 由于测量系统的响应常数没有发生变化，将上述两个测量值相比较，就可以计算出待测光源的光通量Φc ：

 

3. 积分球光谱分析系统的测量原理

使用积分球搭配光度探头的测量系统虽然有简单可靠、工作稳定等优点，但测量颜色不方便，且不适应非连续光谱的测量，目前已较少使用。目前LED灯具光色测量的首选方法是使用积分球配合光谱分析仪的测量系统，该系统基于积分球的测量理论，通过测量球面某点的相对光谱功率分布即可计算出主波长、峰值波长、半宽度、红色比、光通量、CCT、CRI、SDCM、Duv、X,Y等光色参数。

使用积分球光谱分析系统的测量步骤如下：

• 把标准灯置于积分球内并点亮，读取标准灯的光谱数据y_ref（λ）
• 用被测样品替换标准灯并点亮，读取样品灯的光谱数据y_test（λ）
• 因标准灯的光谱辐射通量已经通过校准获得，依据比较法的原则，可知:

Φ_test（λ）- 样品灯的光谱辐射通量

      Φ_ref（λ）- 标准灯的光谱辐射通量校准值

      y_test（λ）- 球内安装样品灯时的光谱读数

     y_ref（λ）- 球内安装标准灯时的光谱读数

 

3. 自吸校正

通常LED照明产品具有光源不可拆分的特性，在积分球内测量时，其灯体或散热部件对光线具有强烈的吸收作用，这种被测样品对自己发射出的光线的吸收效应就称为自吸效应。当被测样品的尺寸和形状与标准灯差异较大时，积分球系统的响应常数会出现明显变化，就可能发生测量误差。

自吸效应是造成测量误差最主要的原因，在实际测量中，可以采用辅助灯泡来消除这种影响。因为积分球涂层的光谱反射率是不平坦的，所以自吸效应在不同波长上呈现出差异性，因此辅助灯通常选用能发射宽带光谱的全方向光强分布的卤素灯泡。

IES LM-79-08给出的自吸校正系数如下式：

y_aux,test (λ)：球内安装辅助灯和样品灯，只点亮辅助灯时的光谱读数

y_aux,ref (λ)： 球内安装辅助灯和标准灯，只点亮辅助灯时的光谱读数

因此，使用积分球光谱分析系统进行测量时，完整的光谱辐射通量计算公式如下：

Φ_test（λ）- 球内安装辅助灯和样品灯，只点亮样品灯时的光谱辐射通量

Φ_ref（λ）- 标准灯的光谱辐射通量校正值

y_test（λ）- 球内安装辅助灯和样品灯，只点亮样品灯时的光谱读数

y_ref（λ）- 球内安装辅助灯和标准灯，只点亮标准灯时的光谱读数

α（λ）- 自吸系数

 

4. 样品的安装位置

在实际的测量过程中，应综合考虑不同被测样品的几何尺寸、发光方向等因素来选择安装方式，通常分为2π和4π两种类型。

2π测试即将样品置于积分球的球壁上，让光线从外部进入积分球。这种测量方法不需要考虑自吸效应的影响，但需配置孔径缩减装置来适应不同尺寸的样品，常用于LED封装、模组、筒灯等正向发光样品的测量。

4π测试即将样品置于积分球中央，让光线向四周发射。采用这种测量方法时，样品安装简单，更换样品的时间也较短，但需要考虑自吸效应的影响，常用于LED灯泡、灯管、小型灯具等大角度或全向发光样品的测量。

近年来，还出现了一种半球测试法，即用内截面具镜面反射的半积分球来模拟4π测试。这种积分球通常设计成可旋转方式，样品安装容易，可模拟光源的不同安装角度，测量时不需要考虑自吸效应，对较大的平面形光源表现出优异的测量精度。半球测试特别适用于大尺寸面板灯、工矿灯等正向发光样品的测量，但由于设备昂贵，且需要配套不同的安装夹具，在实际测量中较少应用。

 

5. 系统标定

依据积分球的测量原理可知，在样品测量前需要用标准灯泡对测量系统进行标定，即对测量系统的响应常数K值进行修正。标准灯通常选用经过校准的具有全光谱辐射通量的卤素灯泡，其宽带光谱可在整个可视区域校准光谱分析仪。

在2π测量中，应使用带反射镜的有适当光强分布的正向发射卤素灯作为标准灯。在4π测量中，通常使用全方向光强分布的标准灯，在某些情况下也会用到正向光强分布的标准灯。

 

6. 对电量设备的要求

测量LED封装和模组所需的直流电源应由一台直流稳流稳压器提供，其输出电压、电流的容量应有足够余量。直流电压表和电流表的校正误差应低于0.1%，供电电流在测量期间应稳定在额定值的±0.2%以内。

LED灯具测量时所需的电源应由交流稳压器提供，其输出容量不小于被测样品标称功率的10倍，谐波失真应小于3%，供电电压在测量期间应稳定在额定电压的±0.2%以内。为了获得一致的测量数值，在测量LED灯具的光参数时，应同时测量样品的电气参数。样品的电气参数应使用独立的功率计测量，其电压和电流的校正误差应低于0.2%。在测量光参数的同时读取输入电压、频率、功率因数、谐波失真等参数，灯具光效由下式得到：

Φtest – 输出光通量

P test – 输入功率

 

7. 测量环境的要求

按照GB24824和IESNA LM-79要求，被测样品周围的境温度应维持在25℃±1℃，该温度应在距离被测样品最多1m的位置测量，且测量高度与被测样品的高度一致。

在测量时，应保持样品周围的空气自然流动，但要注意样品表面的空气流动过快又会极大地影响测量值。测量系统不应安装在震动（例如冲压设备）环境，以避免对设备可靠运行带来的负面影响 。

 

8. 对积分球涂层的要求

8.1 朗伯特性

当入射光在所有方向均匀反射，即入射光以入射点为中心，在整个空间内向四周各向同性反射的现象，称为漫反射。由于LED光源具有较强的指向性和颜色不均匀性，要求积分球的涂层必须具有完美的漫反射效果，以便将不均匀的入射光均匀化。这样，在球壁上任意一点上的取样值才具有代表性。

8.2 涂层反射率

积分球内壁的涂层应具有较高的反射率，以减少光线多次反射时带来的能量损失，这将有利于探测器获得较强的光信号，保证在整个可见光区域的信噪比，便于指向性强或弱反射光信号的测量。但反射率越高，球体的敏感度就越大，对自吸效应和长期漂移就更加敏感。按照GB24824和IESNA LM-79建议，采用分光法测量时，反射率应为90%~98%。

8.3 光谱选择性和稳定性

涂层材料对不同波长的反射率在很大程度上决定了测量精度等参数，要求涂层在可见光波段内具有平坦的反射率，以便获得更准确的测量结果。

涂层的化学成分可能会随时间、使用环境和被测光源的影响而发生变化，所以必须选用化学和物理稳定性较好的材料，避免日久泛黄或剥离，从而影响光学性能。涂层材料的配方是积分球性能优劣的关键指标，LED照明行业通常使用的涂层材料是以硫酸钡（BaSO₄）为基材的改性材料，但硫酸钡遇高温易氧化变黄，这是积分球长期使用后测量精度下降的主要原因。另外，由于BaSO4涂层受UV辐射影响较大，也有一些积分球使用PTFE（聚四氟乙烯）涂层，但这种材料很难制造大尺寸的积分球。