一種基于自由曲面透鏡的led光通量測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于光源測量【技術領域】，具體為一種基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統。本發明采用自由曲面透鏡作為LED光通量收集裝置，具體是用固定裝置將LED固定在自由曲面透鏡的底端，LED發光方向指向透鏡，探測器緊密固定在自由曲面透鏡半徑較大一端以接受光信號。待測LED光源發出的光線一部分經由自由曲面透鏡直接透射到光電探測器上，另一部分光線在經過自由曲面透鏡與空氣的界面時發生全反射改變光路后，也透射到光電探測器上。LED發出的所有光線都經由自由曲面透鏡聚集后被探測器收集、測量并最終給出總光通量值的讀數。本發明操作簡易，可實現快速便攜式測量，且測量誤差小。
【專利說明】—種基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于光源測量【技術領域】，具體涉及一種基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統。
【背景技術】
[0002]LED潛在的高光效使其在普通照明中有良好的應用前景。國家的十一五規劃中，明確將高光效的LED發展作為重點加以支持，除支持提高LED光效的上游技術研究外，也對LED光效等技術指標的檢測技術等予以支持。光源光效的測試實際上難點在光通量的測試。光效的測量包括總光通量和電功率兩部分，對于封裝LED、LED模塊和LED燈具等各種形態的LED產品，不管其控制器是內置還是外置，是交流供電或是直流供電，電功率的測量都相對簡單，且可以達到很高的測量精度；然而由于LED產品的特殊發光性能，LED總光通量的精確測量卻極具挑戰性，這也使得總光通量測量成為LED相關標準研究和制定過程中的重點關注問題。
[0003]光源的總光通量可以采用絕對法或相對法進行測量。前者對各種光源均能達到高準確度，但測量費時費力。后者通常采用積分球加光度計實現，是一種光通量的快速測量系統。積分球系統具有測量速度快，無需暗室等優點，然而對于LED產品，積分球系統存在溫度控制困、窄光束角LED燈具有夾持方向依賴性和光譜功率與常用標準燈差異大等問題。目前，LED光通量的測量誤差甚至達到40-50%，而傳統光源光通量測量誤差僅有幾個百分點。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提出一種可快速便攜式測量，且測量誤差小的LED光通量測量系統。
[0005]本發明提出的LED光通量測量系統，是一種基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統，采用自由曲面透鏡收集待測可見光LED光通量，并照射到光電探測器，從而進行可見光LED總光通量測量。
[0006]本發明提出的基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統，由LED固定裝置1、待測LED光源2、自由曲面透鏡3、光電探測器6、余弦校正器4、V( λ )修正片5和信號處理放大電路7組成。其中:待測LED光源2通過LED固定裝置I固定于自由曲面透鏡3底部，使待測LED光源2的發光中心定位在自由曲面透鏡3底端中心；自由曲面透鏡3頂端依次連接余弦校正器4、ν(λ)修正片5和光電探測器6 ;光電探測器6連接信號處量放大電路7 ;待測LED光源2發出的光線一部分經由自由曲面透鏡3直接透射到光電探測器6上，另一部分光線在經過自由曲面透鏡3與空氣的界面時發生全反射改變光路后，也透射到光電探測器6上，最終實現所有光線的收集；光電探測器6將接收到的光信號轉換為電信號，完成光通量的測量。
[0007] 本發明中，所述自由曲面透鏡3能夠利用全反射收集LED發出的邊緣光線。[0008]本發明中，所述自由曲面透鏡3中心部分的形狀可以為:
(1)焦點位于LED發光中心的凸透鏡，以實現對LED發出的中心光束的準直；
(2)圓心位于LED發光中心的半球形凹透鏡，使LED發出的光線在入射到透鏡時不發射折射；
本發明中，所述光電探測器6可使用但不限于硅光電池、光敏電阻或光電倍增管等器件。
[0009]本發明的有益效果在于:
1、針對不同封裝形式的LED采用不同構造的夾具固定，以保證LED的發光中心定位在自由曲面透鏡底端中心，且LED發出的小于等于180于出光角度的光線都能入射到透鏡上。
[0010]2、采用特殊設計的自由曲面透鏡作為LED的光通收集裝置，待測LED光源發出的光線一部分經由自由曲面透鏡直接透射到光電探測器上，另一部分光線在經過自由曲面透鏡與空氣的界面時發生全反射改變光路后，也透射到光電探測器上，最終實現所有光線的收集，完成光通量的測量。
[0011]3、光通量探測器采用硅光電池作為探頭材料，探頭受光面安裝余弦修正器和V(A)修正片。探頭緊密貼合自由曲面透鏡后端，以保證出射光完全為探測器所收集。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明LED總光通量測試系統示意圖。
[0013]圖2是一種自由曲面透鏡內的光路示意圖。
[0014]圖3是一種自由曲面透鏡的設計原理圖。
[0015]圖中標號:I為LED固定裝置，2為待測LED光源，3為自由曲面透鏡，4為余弦校正器，5為ν(λ )修正片,6為光電探測器,7為信號處理放大電路。
【具體實施方式】
[0016]下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。
[0017]實施例1:
如圖1和圖2所示，所述的光通量測試系可直接用于LED的總光通量測試。該測試系統由LED固定裝置1，待測LED光源2，自由曲面透鏡3，余弦校正器4，V ( λ )修正片5，硅光電池探測器6和信號處理放大電路7組成。LED固定裝置I將待測LED光源2固定于透鏡3的底端位置。完整的探測器探頭由余弦校正器4，V( λ)修正片5和光電探測器6探頭構成，緊貼透鏡的另一端。待測LED光源2發出的光線一部分經由自由曲面透鏡3直接透射到光電探測器6上，另一部分光線在經過自由曲面透鏡3與空氣的界面時發生全反射改變光路后，也透射到光電探測器6上，最終實現所有光線的收集；光電探測器6將接收到的光信號轉換為電信號，完成光通量的測量。
[0018]為了進一步對本發明進行闡述，下面結合圖3對一種自由曲面透鏡的設計過程進行說明。然而所述實例僅為提供說明與解釋之用，不能用來限制本發明專利的保護范圍。
[0019]該自由透鏡曲面由如下設計步驟得到:
(I)首先將LED視為點光源，將LED發出的光線按照出光角度分為中心小出光角度內光線和邊緣光線。[0020](2)邊緣光線在經過垂直于LED底面的透鏡壁時發生一次折射。過折射光線上一點作一條直線與折射光線相交，角度為90° -界面全反射臨界角。在一個平面內，對等角度選取的若干邊緣光線重復上述步驟，得到一系列的參考直線。以這些參考直線的斜率作為自由曲面透鏡外壁的切線斜率，通過旋轉對稱，即可設計出符合全反射條件的透鏡外壁。
[0021](3)設計透鏡中部對應小出光角度內光線的形狀為焦點位于LED發光中心的凸透鏡，以實現對LED發出的中心光束進行準直。
[0022](4)將得到的透鏡輪廓線導入到3D建模軟件中，進行旋轉對稱以生成實體。
[0023](5)將得到的完整實體導入到光學追跡軟件中，設置透鏡參數和追跡的條件以進行光線追跡，對追跡的結果進行分析并修正設計參數。
[0024]本發明采用特殊設計的自由曲面透鏡將LED發出的所有光線都收集起來，再用探測器測量其光通量值。待測LED光源發出的光線一部分經由自由曲面透鏡直接透射到光電探測器上，另一部分光線在經過自由曲面透鏡與空氣的界面時發生全反射改變光路后，也透射到光電探測器上，最終實現所有光線的收集；光電探測器將接收到的光信號轉換為電信號，完成光通量的測量。由于利用了光線的全反射原理，邊緣光線引起的誤差被降低到了最小，實現了光通量的精密測量。
【權利要求】
1.一種基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統，其特征在于由LED固定裝置、待測LED光源、自由曲面透鏡、光電探測器、余弦校正器、V( λ)修正片和信號處理放大電路組成；其中，待測LED光源通過LED固定裝置固定于自由曲面透鏡底部，使待測LED光源的發光中心定位在自由曲面透鏡底端中心；自由曲面透鏡頂端依次連接余弦校正器、V( λ )修正片和光電探測器；光電探測器連接信號處量放大電路；待測LED光源發出的光線一部分經由自由曲面透鏡直接透射到光電探測器上，另一部分光線在經過自由曲面透鏡與空氣的界面時發生全反射改變光路后，也透射到光電探測器上，最終實現所有光線的收集；光電探測器將接收到的光信號轉換為電信號，完成光通量的測量。
2.根據權利要求1所述的基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統，其特征在于所述自由曲面透鏡的中心部分，其形狀為焦點位于LED發光中心的凸透鏡，以實現對LED發出的中心光束的準直。
3.根據權利要求1所述的基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統，其特征在于所述自由曲面透鏡的中心部分，其形狀為圓心位于LED發光中心的半球形凹透鏡，使LED發出的光線在入射到透鏡時不發射折射。
4.根據權利要求1所述的基于自由曲面透鏡的LED光通量測量系統，其特征在于所述光電探測器使用硅光電池、光敏電阻或光電倍增管。
【文檔編號】G01M11/02GK103969032SQ201410223445
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】林澤文, 劉木清 申請人:復旦大學