CN117309135A - 一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于辐射照度仪领域，提供了一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置和方法，所述装置包括基板和设于所述基板上的LED芯片模组，所述LED芯片模组包括多个LED芯片，多个所述LED芯片的辐射强度的分布符合朗伯分布规律，所述LED芯片模组的光色为蓝光或紫外光中的任一一种。上述蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，标准光源的面光源设计容易和被校正的辐射照度仪的探头对准，减少了标准光源和探头的机械位置偏差引起的校正误差，且标准光源的多芯片设计使得能够产生的辐射照度足够高，可以在辐射照度测量的全量程对辐射照度仪进行校准。
Description
技术领域
本发明涉及辐射照度仪技术领域，特别涉及一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准方法和装置。
背景技术
蓝光或紫外光辐射可作为光固化的光源。光固化是一种材料表面处理的技术，它利用蓝光或紫外光引发具有化学活性的液体材料快速聚合交联，瞬间固化成固体材料。
在光固化的工业应用中，需要精确测量蓝光或紫外光辐射照度（单位毫瓦/平方厘米）。市场上有许多测量蓝光或紫外光辐射照度的仪表，但各家仪表测量的蓝光或紫外光辐射照度的数值结果非常不同，差别甚至一倍以上。当仪表使用方发现各家生产的辐射照度仪表给出非常不同的测量结果时产生迷惑。蓝光或紫外光辐射照度测量仪器的校准成为使用辐射照度仪的前提。
发明内容
本发明的目的是提供一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准方法，以解决市面上的测量蓝光或紫外光辐射照度的仪表测量精度不统一的问题。
本发明提供了一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，所述装置包括基板和设于所述基板上的LED芯片模组，所述LED芯片模组包括多个LED芯片，多个所述LED芯片的辐射强度的分布符合朗伯分布规律，所述LED芯片模组的光色为蓝光或紫外光中的任一一种。
上述蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，标准光源的面光源设计容易和被校正的辐射照度仪的探头对准，减少了标准光源和探头的机械位置偏差引起的校正误差，且标准光源的多芯片设计使得能够产生的辐射照度足够高，可以在辐射照度测量的全量程对辐射照度仪进行校准。
进一步地，还包括积分球，所述积分球用于测量并校准每个所述LED芯片的辐射功率。
进一步地，所述LED芯片的外形为方形或矩型中的任一一种。
进一步地，相邻两个所述LED芯片的行距和列距为1mm-10mm。
进一步地，所述LED芯片的数量为16-400片。
进一步地，通过所述积分球测量所述LED芯片的辐射功率的温度为10-40摄氏度。
进一步地，多个所述LED芯片的辐射功率的差值小于1%。
进一步地，所述LED芯片的工作温度为10-40摄氏度。
本发明还提供了一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准方法，应用于如上述中任一一项所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，所述方法包括：
获取蓝光或紫外光辐射照度仪的辐照强度
通过LED芯片模组产生标准光源，并获取蓝光或紫外光辐射照度仪与标准光源的当前距离；
由光学模拟软件根据所述辐照强度、所述当前距离以及标准光源的辐射功率计算出所述辐照照度。
附图说明
图1为本发明第一实施例中的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置的俯视图；
图2为积分球所测量的标准光源上LED芯片的辐射功率的测量结果；
图3为辐射照度的线性分布图；
图4为辐射照度的区域分布图。
主要元件符号说明：
| 基板 | 10 | LED芯片模组 | 20 | LED芯片 | 21 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干个实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，所述装置包括基板10和设于所述基板10上的LED芯片模组20，所述LED芯片模组包括多个LED芯片21，多个所述LED芯片21的辐射强度的分布符合朗伯分布规律，所述LED芯片模组20的光色为蓝光或紫外光中的任一一种。
上述蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，标准光源的面光源设计容易和被校正的辐射照度仪的探头对准，减少了标准光源和探头的机械位置偏差引起的校正误差，且标准光源的多芯片设计使得能够产生的辐射照度足够高，可以在辐射照度测量的全量程对辐射照度仪进行校准。
在本发明的一个实施例中，蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置还包括积分球（图未示出），所述积分球用于测量并校准每个所述LED芯片21的辐射功率。需要说明的是，每个LED芯片21，其辐射功率（单位：毫瓦）都通过积分球校准。积分球是一种测量辐射功率的仪器。积分球是一个空心球，通常具有两个小开口，引入待测光源和光电探测器。积分球具有漫反射的内表面，能够将待测光源发出各个方向的光线均匀地反射到球内，实现辐射照度在球内表面的均匀化，进而通过辐射照度乘以球面面积得到辐射功率。由于积分球的均匀化功能，测试容易，测量误差小，是最广泛使用的光学辐射功率的测量仪器。积分球一般是通过标准黑体辐射光源校准的，各公司使用各自积分球测试的辐射功率数值是相互认可的，可以相互交流。不同积分球测试得出的辐射功率数值，相互之间的差别一般小于5%。因此可以认为，标准光源所用的LED芯片模组20上每个LED芯片21的辐射功率（单位：毫瓦）的数值测量是准确的。
在本发明的一个实施例中，所述LED芯片21的外形为方形或矩型中的任一一种。优先的，LED芯片21的外形为方形的。LED芯片21的尺寸可以是0.1x0.1-2x2平方毫米，优先的是1x1平方毫米。
在本发明的一个实施例中，相邻两个所述LED芯片的行距和列距为1mm-10mm。具体的所述LED芯片行列的排列间距可以不等，但优选地行距和列距相等或者相近。行距和列距可以是1毫米-10毫米，优选地4毫米。
在本发明的一个实施例中，所述LED芯片21的数量为16-400片，优选的是64片。
需要说明的是，LED芯片21尺寸、数量、和排列间距的选择的基本要求是其辐射照度在距离光源一定距离，譬如10-20毫米，在一定平面范围，譬如5x5平方毫米，辐射照度均匀。辐射照度均匀的区域范围应该远大于辐射照度仪探头的尺寸。辐射照度仪探头的光电二极管的芯片尺寸一般是0.5x0.5平方毫米，探头的外形尺寸一般为3x3平方毫米。
在本发明的一个实施例中，通过所述积分球测量所述LED芯片的辐射功率的温度为10-40摄氏度。具体的，LED芯片21的辐射功率与LED芯片21的节点温度相关，大约节点温度每上升10摄氏度，辐射功率下降1%。LED芯片21功率的积分球测量必须在指定温度下测量。指定温度可以是10-40摄氏度，优选25度。这里的指定温度和标准光源用于校准辐射照度仪时的保持温度是一致的。
在本发明的一个实施例中，多个所述LED芯片的辐射功率的差值小于1%。可以理解的，同一批次LED芯片21的辐射功率是接近的，而且可以通过筛选，选择辐射功率非常接近，譬如相互差别小于1%的一些芯片做成标准光源的LED芯片模组20。LED芯片21之间的微小差别对标准光源的辐射照度影响不大，因为某点的辐射照度来自于多个LED芯片21的贡献，各个LED芯片21的贡献起到平均的效果。
还需要说明的是，标准光源，是在LED芯片模组20中心位置的正上方，其辐射照度随距离的变化可以通过光学设计软件，例如ZMAX模拟。如果给定的各个LED芯片21的辐射功率值和辐射强度分布是准确的，ZMAX可以精准地算出在标准光源正上方给定距离位置的辐射照度（单位：毫瓦/平方厘米）。
在本发明的一个实施例中，所述LED芯片的工作温度为10-40摄氏度。标准光源在校正辐射亮度仪的时候，其温度保持恒定，10-40摄氏度，优选25摄氏度。标准光源恒温的保持可以由水冷、风冷、和热电芯片中的任一一种或多种完成。
在具体实施过程中，标准光源的电驱动电源是重复性好的电源，即每次校正时的输出电流和功率都是一致的，从而保证标准光源的辐射照度具有重复性。按照上述特点制作的标准光源为蓝光或紫外光辐射照度仪提供了一个准确的校准光源。
具体的，蓝光或紫外光辐射照度仪的基本结构包括：（1）光电探测器譬如光电二极管。光电二极管接受蓝光或紫外光辐射后产生感应电流，一般是毫安级别的。感应电流通过放大器譬如运算放大器变成输出电压，譬如0-10伏的直流电压。通过模拟到数值（ATD）的转换，直流电压转换成数字信号，也就是输出电压的量化值，譬如0-4095，如果是12位二进制的ATD。
在本发明的一个实施例中，还提供了一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准方法，应用于如上述中任一一项所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，所述方法包括：
获取蓝光或紫外光辐射照度仪的辐照强度
通过LED芯片模组产生标准光源，并获取蓝光或紫外光辐射照度仪与标准光源的当前距离；
由光学模拟软件根据所述辐照强度、所述当前距离以及标准光源的辐射功率计算出所述辐照照度。
本发明还提供了以下多个实施例：
实施例
标准光源采用8x9LED芯片模组20，如图1所示，LED芯片21的行距为3.5毫米，列距为4.1毫米。LED芯片21的波长为465-475纳米。LED芯片21的尺寸为1x1平方毫米。LED芯片21的辐射功率和驱动电流的关系由积分球测定，如图2所示。标准光源是LED芯片21焊接在氮化铝陶瓷基板上，氮化铝是散热性能最好的陶瓷材料之一。标准光源固定在水冷散热器上，光源和水冷散热器之间涂有导热硅脂。水冷的冷却水设定为25摄氏度。标准光源的模组上的8x9=72颗灯珠的电连接是12串6并，采用6安50V的恒流电源。每串电路的恒流电流设置为30-300毫安。图2给出电流和芯片辐射功率的关系。探头的光电二极管芯片为AlGaN半导体材料芯片，LED芯片21尺寸为1x1平方毫米。光电转换效率约为1A/W。譬如辐射照度为1瓦/平方厘米时，1x1平方毫米的光电二极管接受的光功率为0.01瓦，产生的感应电流约为10毫安。放大电路采用运放放大器，在0-1瓦/平方厘米的测量量程，电压输出为0-10伏直流电压。采用12位二进制的模拟到数值转换器，0-10V电压转换成0-4095的量化值。ZMAX模拟计算的结果：8x9行列芯片，间距为3.5x4.1mm2，辐射照度的平面分布见图3和图4。可见在4x4平方毫米的区域，辐射照度的分布是均匀的。由于探头的光电二极管的芯片尺寸为1x1平方毫米，探头芯片和标准光源中心的对准是很容易完成的。每颗LED芯片模组21的辐射功率为0.3瓦时，LED芯片模组20的总功率为0.3*72=21.6瓦，在距离为15毫米的距离，当光电二极管芯片尺寸为1x1平方毫米时，模拟结果是光电二极管的功率占比为4.71x10-4，辐射照度为1.02瓦/平方厘米（=21.6 * 4.71x10-4 * 100)。图4显示标准光源的辐射功率与标准光源正上方15毫米距离的辐射照度的关系。由此计算出蓝光或紫外光辐射照度仪的真实辐射照度。
实施例
在本实施例中，标准光源和实施例1相同，探头和标准光源的距离为10毫米。ZMAX模拟的结果显示1x1mm2探头芯片的功率占比为：5.9x10-4。举例当标准光源单颗芯片辐射功率为0.3瓦，标准光源模组功率为21.6瓦（=0.3*72)时，辐射照度为1.27瓦/平方厘米（=21.6*5.9x10-4*100)。
实施例
在本实施例中，标准光源和实施例1相同，探头和标准光源的距离为20毫米。ZMAX模拟的结果显示1x1mm2探头芯片的功率占比为：3.62x10-4。举例当标准光源单颗芯片辐射功率为0.3瓦，标准光源模组功率为21.6瓦（=0.3*72)时，辐射照度为0.78瓦/平方厘米（=21.6*3.62x10-4*100)。
综上所述，本发明提供的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，能够很好的计算出每个蓝光或紫外光辐射照度仪的真实检测数值，解决了市面上的测量蓝光或紫外光辐射照度的仪表测量精度不统一的问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，所述装置包括基板和设于所述基板上的LED芯片模组，所述LED芯片模组包括多个LED芯片，多个所述LED芯片的辐射强度的分布符合朗伯分布规律，所述LED芯片模组的光色为蓝光或紫外光中的任一一种。
2.根据权利要求1所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，还包括积分球，所述积分球用于测量并校准每个所述LED芯片的辐射功率。
3.根据权利要求1所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，所述LED芯片的外形为方形或矩型中的任一一种。
4.根据权利要求1所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，相邻两个所述LED芯片的行距和列距为1mm-10mm。
5.根据权利要求1所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，所述LED芯片的数量为16-400片。
6.根据权利要求2所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，通过所述积分球测量所述LED芯片的辐射功率的温度为10-40摄氏度。
7.根据权利要求1所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，多个所述LED芯片的辐射功率的差值小于1%。
8.根据权利要求1所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，所述LED芯片的工作温度为10-40摄氏度。
9.一种蓝光或紫外光辐射照度仪的校准方法，应用于如权利要求1-8中任一一项所述的蓝光或紫外光辐射照度仪的校准装置，其特征在于，所述方法包括：
获取蓝光或紫外光辐射照度仪的辐照强度；
通过LED芯片模组产生标准光源，并获取蓝光或紫外光辐射照度仪与标准光源的当前距离；
由光学模拟软件根据所述辐照强度、所述当前距离以及标准光源的辐射功率计算出所述辐照照度。
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