球式光度計是一種快速有效的 LED產品光通量和光效測量的裝置，它涉及到 LED產品的光通量測量、產品檢測和企業質量控制部門，是目前 LED光通量和光效檢測的主要設備。怎樣合理地利用球形光度計獲得準確的光通量是人們普遍關注的問題。本論文試圖探討球型光度計測量 LED總光通量的技術要點。
圓球測光儀原理
球型光度計是一種用積分球測量光源總光通量的光度計，基本結構見圖1。將光源 S放在積分球內(普通位置為球中心位置4π度，或球壁附近2π度測量)，光探頭 D在球壁上貼著探測孔。孔洞位于球壁上，并放置有散射器。探測器 D是光度探針，它的輸出電流經 I/V轉換成電壓，后在讀數儀 R上顯示；若探頭 D為光纖收集面，其采集光后通過光纖連接光譜輻射計，根據測得的可見光區域的光譜功率，利用光譜光視效率函數計算出總光通量。還有兩種方法結合使用，即同時使用光度探頭和光譜輻射計，用光度探頭測量其通量，而光譜輻射計則測量其光譜功率分布。
1a、球狀光度計(以光計探測系統)結構示意圖
1b、球型光度計(探測系統為光譜輻射計)結構示意圖
積球層內均采用白色漫反射材料進行涂布，材料要求漫反射特性好，無光譜選擇性。光源 S發出的總光通量為φ，反射率為ρ，比球半徑為 R。基于積分球理論，光源S在球壁上產生的照度對一定的積分球， R和ρ是固定的。因此，上式表示，由于積分球內壁的多次漫反射，光源在球內壁上各點產生的間接照度值相等，并與光源的總光通量成正比。在圖1中，擋板 B的作用是阻止光源 S直接照射到探測器 D。如果積分球內移除擋板 B，來自光源的光就會直接照射到探頭 D上，此時探針 D位置的照度取決于光源在這個方向上的發光強度。球體內壁各點照度值不相等，且不與光源總光通量成正比。
依據(1)公式(1)通過比較燈號與標準燈號之間的光通量，可測量被測燈的總光通量。
其中 Rtest是標準燈的光電讀數， Rstd是標準燈的光電讀數，φ std是標準燈的總光通量值， C是光通量常數。
LED特性
發光二管是新一代節能光源，具有能、長壽命、色彩豐富、動態調節范圍廣等特點，是一種實現節能減排的高新技術產品。一般來說，與傳統白熾燈相比， LED燈有以下幾個特點：
（1）色溫譜差異較大。經典的白光 LED是由藍光激發黃綠熒光粉，混光得到白色。典型 LED和白熾燈的發光光譜這一特性使球形光度計測量時，需要對光譜光視效率函數進行失配修正。
（2）不均勻的空間發光。單個 LED具有強的指向性，空間發光強度分布曲線與白熾燈明顯不同。這種特性使得球形光度計測量時需要引入積分球的空間響應函數。
（3）結點溫度影響較大。因為 LED的發光芯片依賴于 PN結的溫度，所以 LED的光通量受到環境溫度、散熱條件和預熱時間的影響。只需5分鐘左右的白熾燈就能達到熱平衡，而且對周圍的溫度不敏感。這種特性使測量 LED光通量需要充分預熱，并能維持規定的點火姿態和環境溫度。
LED總光通量測量關鍵技術要點
（1）所使用的標準燈量值可靠，檢定或校準證書在有效期內。
我國目前使用的標準燈是 BDT、 BDP型標準白熾燈，這幾種燈量是穩定、可靠的，能地測量出通量數值。另外，采用分布溫度標準的高色溫標準光源覆蓋可見光區域，可以有效地校準球形光度計中的輻射光譜。
（2）良好的實驗室環境和足夠的預熱時間，提高 LED的量值重復性。
因為 LED容易受到環境溫度的影響，所以需要有潔凈恒溫的實驗室條件。作者在日常 LED光源測試中，為達到熱平衡， LED燈泡等光源的預熱時間為5分鐘，以0.5-1小時為宜。經過選擇，完全老化后 LED光源的重復性可以達到0.5%以上。
（3）設備性能優良。
為使實際所用的積分球接近理想狀態，在滿足光度探測靈敏度要求的情況下，積分球直徑應盡可能大。積分球內涂層材料必須清潔、均勻，反射性滿足 CIE 84-1989 The measurement of luminous flux的要求；內部支架和夾具不能在燈上形成遮擋，并且必須噴上漫反射涂層。隔板位置合適，并保證被測光源不直接照射探測器的情況下，取面積。光檢測器性能良好，如果用 V (λ)修正的光度探頭，則f1’必須足夠小(實驗室級)；如果光度檢測器是輻射光譜儀，其雜散光小，波長位置誤差小，動態范圍大，線性良好。
（4）光譜視效率函數的失配修正。
在用光度探針檢測時，其實際響應曲線與理想光譜的光視效率函數 V (λ)有差異。另外，積分球內部的漫射層和窗口上的毛玻璃對光譜的反射率并不是理想的平面曲線。上述因素使球形光度計的響應曲線偏離了 V (λ)，帶來了 V (λ)失配誤差。可根據以下計算和不匹配修正測量誤差來估計：
其中Ptest (λ)是被測光源的相對光功率分布， Pstd (λ)表示標準燈泡的相對光譜功率分布，而 S (λ)是積分球內壁的光譜漫反射比。舉例來說，如果用 BDP來標定某一球形光度計，修正系數為1.01；若要測量藍色 LED燈，則其系數可達1.10或更高。
（5）整球空間響應函數修正。
在測試 LED與標準燈的正規化光強空間分布曲線有明顯差異時，該修正系數需要特別注意。因為球形光度計的內部涂層不均勻和內部元件(例如擋屏)的存在，光照在積分球內球壁上不同區域的檢測器所產生的照度值不相等，即積分球空間響應分布函數(Spatial response distribution function, SRDF)：
K (θ，φ)表示在積分球內球心位置向(θ，φ)投射定量窄光束到球內壁，經過多次漫反射后，探測器的讀數。通常可以將 K (0,0)作為單位1。
積分球的空間響應分布函數修正系數可以寫為：
Itest (θ，φ)和 Istd (θ，φ)分別代表了被測 LED和標準燈的標準化光強空間分布曲線。由(5)公式可知，若積分球體內部空間響應明顯不均勻(如部分涂層發黃、底部積灰、擋光板面積大等)，且被測 LED燈與標準燈的光強空間分布曲線有明顯差異。舉個例子，如果用 BDP來標定一個球型光度計，再測量一個 LED射燈，修正系數可以達到1.10。
（6）自吸收修正
檢測到的 LED與標準燈的外形尺寸相差較大或狀態有明顯差異時，應計算吸收校正系數。將球內適當位置(一般在球壁上)點亮一個發光穩定的輔助燈，以阻擋它向窗口和被測燈發出的光線。將標準燈管放置在正常安裝光源的位置，當檢測器讀數為 Astd時，取下標準燈位，將被測 LED置于同一位置，探測器讀數為 Atest，則計算公式為：
（7）基準燈采用 LED量值傳遞，避免上述修正，使測量過程簡單可靠。
若用光源和標準光源的總光通量、歸一化光強空間分布曲線、發光光譜等參數比較接近，則上述三種校正系數均接近1，可以忽略。推薦選用量值穩定的發光二管傳輸標準燈，直接應用公式(2)計算光通量。
概要
球形光度計符合上述各項硬件要求、操作者能保持積分球清潔、注意接近被測燈與標準燈(或 LED量值傳遞參考燈)光學特性接近的情況下，所測 LED燈的總光通量結果誤差完全可控。當被測燈與標準燈(或發光二管傳遞參考燈)在光譜、光強空間分布或外形有較大差異時，應進行相應的修正，以降低測量不確定度。
