激光輻射功率和功率不穩(wěn)定度測試方法

通常，光通量和輻射功率是LED最重要的光學(xué)參數(shù)，但是有時(shí)也會提到光強(qiáng)空間分布。對于較小的器件，平均LED的強(qiáng)度仍然很常見?，F(xiàn)實(shí)中，部分LED光通量只是一個(gè)不斷增加的數(shù)字，但仍未被廣泛測量過。對于固態(tài)照明源來說，光度學(xué)和比色輻射特性很重要。

測量總輻射功率和光通量的兩種主要方法是使用積分球或側(cè)角光度計(jì)/光譜輻射計(jì)。接下來的兩節(jié)將介紹這兩種測量方法，以及測量時(shí)會有哪些挑戰(zhàn)。

1

積分球法

光通量有時(shí)也被稱為總光通量，以此強(qiáng)調(diào)它是所有方向的總和。 它也被稱為4π通量，因?yàn)橐粋€(gè)完整的球體有4π的立體角。要收集4π立體角的所有光，光源須在球體的中心。圖1a為測量光通量的常規(guī)4π幾何結(jié)構(gòu)。捕獲所有方向發(fā)射的輻射，并測量總光通量。

圖1 國際照明委員會為所有光源（a）和

不具有后向輻射的光源（b）推薦的球體幾何圖形

對于可以忽略不計(jì)或沒有輻射的光源，可以以更方便的前向通量或2π幾何空間測量總通量。在圖1b中，光源位于球壁的端口處。只有前半球發(fā)射的光輻射才用于測量。這種前向輻射是大多數(shù)LED產(chǎn)品的典型特征。積分球必須根據(jù)測量幾何、同時(shí)遵循替代原理進(jìn)行絕對校準(zhǔn)。替代原理指出，應(yīng)該通過與相似空間和光譜分布的標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行比較來測量測試光源。

? 選擇正確的尺寸

檢測樣品應(yīng)始終小于球體的內(nèi)徑，目的是讓樣品本身引起的干擾因素盡可能低。 然而，隨著球體越來越大，探測器上的入射光的強(qiáng)度就會降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，積分球的光通量是球體半徑的平方反比。因此，選擇測試對象的大小與球體尺寸對于高精度測量和好流量之間的有效平衡至關(guān)重要（參見圖2）。

圖2 直徑1m的球體（左）與直徑2m的球體（右）

直徑1m的球體是用于4π和2π幾何結(jié)構(gòu)中測量大多數(shù)LED和模塊的理想選擇；直徑2m的球體適用于大型燈具和固態(tài)照明產(chǎn)品。

對于給定尺寸的檢測樣品，選擇球體的正確尺寸有一些準(zhǔn)則。使用4π幾何圖形，檢測樣品的總表面應(yīng)小于球體表面的2％。線性燈的長度應(yīng)小于球體直徑的2/3。 使用2π幾何圖形，計(jì)量口的直徑及檢測樣品的最大延伸度不應(yīng)超過球體直徑的1/3。

? 自吸收產(chǎn)生的誤差及修正方法

檢測對象本身就會吸收積分球中的光輻射。這種干擾形式，被稱為自吸收，可導(dǎo)致光輻射明顯衰減并導(dǎo)致測量偏差。檢測樣品越大越暗，衰減就越明顯。圖3就展示了兩個(gè)檢測樣品與所得到的傳輸與波長。自吸收可導(dǎo)致多達(dá)10％的誤差。

圖3 兩臺待測設(shè)備的自吸收光譜

因此，自吸收修正需要適當(dāng)?shù)妮o助光源，才能進(jìn)行精確測量。全光譜的鹵素?zé)粽线@個(gè)要求。輔助光源必須位于擋板后面，以避免直接照射樣品，并應(yīng)由穩(wěn)定的電源進(jìn)行操作。此光源用于確定被測設(shè)備、樣品架和連接電纜的光譜吸收特性，然后用實(shí)際測量值進(jìn)行抵消。隨著涂層的反射率上升，球體面積與試樣的比例降低，自吸收效果增加。

? 近場吸收

處于光源附近的任何物體（例如插座）都會明顯吸收光，并可能導(dǎo)致較大的誤差。 這種所謂的近場吸收不能通過自吸收測量來修正。因此應(yīng)避免這種影響。物體應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離燈，避免形成空腔。此外，推薦用高反射率材料覆在物體表面。圖4展示了線性管架的一個(gè)良好解決方案。

圖4 避免近場吸收效應(yīng)的例子

線性管的支架被放置在盡可能遠(yuǎn)離光源的地方并涂覆有高反射率材料。

? 燃燒的位置

對于被動冷卻的固態(tài)照明源，測量應(yīng)在制造商定義的燃燒位置進(jìn)行。當(dāng)以4π幾何圖形測量時(shí)，使用可以上下安裝的內(nèi)部燈柱來實(shí)現(xiàn)光源的燃燒位置十分方便。在2π幾何圖形的情況下，可旋轉(zhuǎn)的球體是首選（參見例如圖5）。 整個(gè)球體可以在其安裝架內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 因此，測量端口位于側(cè)面、頂部或底部。

圖5 可旋轉(zhuǎn)的1米球體，位置敏感的光源

可以在其設(shè)計(jì)的工作位置進(jìn)行測量

? 考慮測量誤差

造成測量誤差的因素是多方面的。LED的寬范圍輻射特性在測量光通量時(shí)很容易造成校準(zhǔn)誤差。對于具有分散排射的部件，會有5％的變化，但是使用窄角LED，可能會發(fā)生超過10％的偏差。

如上所述，選擇正確的球體尺寸、執(zhí)行自吸收修正、避免近場吸收和在光源的設(shè)計(jì)燃燒位置測量對于高精度測量是至關(guān)重要的。

造成誤差的很大一部分因素是在光源熱穩(wěn)定之前就開始測量。此外，當(dāng)依據(jù)CIE S 025或EN 13032-4進(jìn)行測試時(shí)，推薦使用25°C的環(huán)境溫度。將一個(gè)會產(chǎn)生熱量的熱源放入積分球中，環(huán)境溫度（球體中的溫度）會升高，并且會與“正?！钡倪\(yùn)行溫度不同。 當(dāng)以4π配置進(jìn)行測量時(shí)，建議將球體的半球打開，以穩(wěn)定熱源。在測量前，應(yīng)該小心地合上球體，以避免空氣運(yùn)動。這樣，正常運(yùn)行中的環(huán)境條件可以最好地滿足。

2

測角光度計(jì)方法

雖然使用測角光度計(jì)來測量光通量或輻射功率比使用積分球更費(fèi)時(shí)，但是卻更精確。測量過程中不需要光通量標(biāo)準(zhǔn)燈作為參考值。如果必須測量不同發(fā)光強(qiáng)度分布的燈，它是首選的方法，是校準(zhǔn)光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的基準(zhǔn)，為其他測試程序提供參考值。測角光度法的另一個(gè)顯著特征是測量部分光通量和半強(qiáng)度角的能力。當(dāng)測量與能量效率相關(guān)的特性或是否符合Zhaga規(guī)格時(shí)，需要確定這些值。

該方法可以通過一個(gè)圍繞LED的假想球體來描述。一個(gè)余弦校正檢測器在距離r（球半徑）處的特定路徑上在球體的表面上移動。檢測器的作用就是用于確定輻照度E。計(jì)算公式見下圖：（dA代表檢測器面積，dΦ代表部分輻射通量）

為了確定總輻射功率，檢測器以角度θ遞增地移動。角度φ 從0°至360° 變化時(shí)，相應(yīng)記錄角度θ 的值，根據(jù)球體的恒定緯度，掃描各個(gè)區(qū)域?？傒椛涔β师禐椋?/p>

或者，也可以使用固定的檢測器，掃描LED末端。但是，對于有對流冷卻的模塊和燈具，這可能不適用。

圖6 具有緊湊型屏蔽室的測角光度計(jì)

LED移動而檢測器不移動。角度φ 通過旋轉(zhuǎn)LED的機(jī)械軸進(jìn)行調(diào)節(jié)，而角度θ通過旋轉(zhuǎn)其末端進(jìn)行調(diào)節(jié)。檢測器位于光導(dǎo)軌上，可以在不同距離進(jìn)行測量。

遠(yuǎn)距離是發(fā)光強(qiáng)度分布的要求，以滿足遠(yuǎn)場條件。使用測角光度計(jì)測量總通量，則不需要遠(yuǎn)距離。假設(shè)檢測器具有良好的余弦響應(yīng)，則可以在各個(gè)角度精確測量輻照度。輻照度不是燈的屬性，而是落在表面上的光。通過在適當(dāng)?shù)奈恢脺y量虛擬球周圍的輻照度，可以通過積分來算出總通量。假設(shè)光源和檢測器之間沒有相互作用發(fā)生，則光源的大小幾乎就是虛擬球體的大小。（編譯/CNLED網(wǎng) James）