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English| 發(fā)布日期：2022-07-18 |
輻射量
輻射能
同電磁輻射一樣，光輻射也是一種能量傳播方式，以電磁輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的能量稱作輻射能，通常用字符Qe表示。
單位：焦耳（J）。
輻通量
單位時間內(nèi)發(fā)射、接收的輻射能稱之為輻通量，通常用Φe表示。若在dt時間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能為dQe，則相應(yīng)的輻通量為：Φe=dQe/dt。
單位：瓦特（W）。
輻出度
輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻通量，定義為輻射源輻出度，以Me表示，假定輻射源的微面積dA發(fā)出的輻通量為dΦe，則輻出度Me=dQe/dA。
單位：瓦特每平方米（W/m2）。
輻照度
輻射度又稱輻射照度，是受照面單位面積上的輻射通量，假定受照面的微面積dA發(fā)出的輻通量為dΦe，則輻照度Ee=dΦe/dA。
單位：瓦每平方米（W/m2）。
輻強(qiáng)度
點(diǎn)輻射源向各方發(fā)出輻射，在某一方向，在元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的輻射通量為dΦe，則輻射強(qiáng)度Ie=dQe/dΩ。
單位：瓦特每球面度（W/sr）。
輻亮度
為了表征具有有限尺寸輻射源輻通量的空間分布，采用了“輻亮度”這樣一個輻射量。元面積為dA的輻射量，在和法線N成θ角方向，在元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的輻射通量為dΦe，則輻亮度Le=dΦe/cosθdAdΩ，因此可認(rèn)為元面積dA在θ方向的輻亮度就是該輻射面在垂直于θ方向的平面上的單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻通量。
單位：瓦特每球面度平方米[W/（sr·m2）]。
光學(xué)量
光通量
標(biāo)度可見光對人眼的視覺刺激程度的量稱為光通量，通常以Φv表示。
單位：流明（lm）。
光出射度
光源單位發(fā)光面積發(fā)出的光通量，定義為光源的光出射度，假定光源的微發(fā)光面積dA發(fā)出的光通量為dΦv，則光出射度Mv=dΦv/dA。
單位：流明每平方米（lm/m2）。
光照度
單位受照面積就受的光通量，定義為光照度，假定光照面微面積dA上接受的光通量為dΦv，則該微面上的光照度Ev=dΦv/dA。
單位：勒克斯（lx）。
發(fā)光強(qiáng)度
點(diǎn)光源向各方向發(fā)出可見光，在某一方向，在元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的光通量為dΦv，則該點(diǎn)光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度Iv=dΦv/dΩ。
單位：坎德拉(cd)。
光亮度
為了描述具有有限尺寸的發(fā)光體發(fā)出可見光在空間分布的情況，采用了光亮度這樣一個光學(xué)量。發(fā)光面的元面積dA，在和發(fā)光表面法線N成θ角的方向，在元立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的光通量為dΦv，則光亮度Lv=Iv/cosθdA，即元發(fā)光面dA在θ方向的光亮度等于元面積dA在θ方向的發(fā)光強(qiáng)度Iv與該面元面積在垂直于該方向平面上的投影cosθdA之比。
測試原理
輻照度測量需要一已知輻射能量分布的標(biāo)準(zhǔn)光源，通過經(jīng)過定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)光源以及光纖光譜儀即可測得待測物的光譜輻射能量分布曲線，通過輻射能量分布曲線可進(jìn)一步計(jì)算出輻照度、輻射通量等參數(shù)。
測試實(shí)例
LED光源輻照度測試
LED作為當(dāng)今最重要的光源之一，正在以其獨(dú)有的特性全面滲入到社會的各個層面和角落。LED產(chǎn)業(yè)大批量生產(chǎn)多種顏色、亮度的LED的同時就需要精確地測量其光學(xué)特性。隨著LED 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各式各樣的LED 產(chǎn)品，因此面向不同的應(yīng)用，會根據(jù)LED 發(fā)光波長和光色參數(shù)去選取合適的LED，LED的分選及品控應(yīng)運(yùn)而生。
由于LED發(fā)光面獨(dú)有的外形尺寸，導(dǎo)致其發(fā)光很難均勻化，通過使用積分球減少光損失的配置適合大多數(shù)LED測量應(yīng)用。對于光學(xué)輻射測量來說，積分球是一種很簡單的組件。積分球的內(nèi)表面具有完美的散射性，光線在其內(nèi)表面發(fā)生均勻反射。輻射光在內(nèi)表面上經(jīng)過多次反射后變得十分均勻，導(dǎo)致在球壁上任何一點(diǎn)的光輻射度都相同。積分球和光譜儀的搭配，使得LED測量的再現(xiàn)性大幅的提高。
原理
LED是light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它屬于固態(tài)光源，基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，通常紅光采用砷化鎵，黃光采用氮化硅，綠光采用磷化鎵，藍(lán)光采用氮化鎵。將半導(dǎo)體發(fā)光材料置于一個有引線的架子上，周圍再用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用。
LED的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為襯底，外延層，透明接觸層，P型與N型電極，鈍化層。發(fā)光二極管的核心部分是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，電子從N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)，空穴從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)，隨著這一擴(kuò)散的進(jìn)行，在P-N結(jié)處形成了一個高度eΔV的勢壘，阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡狀態(tài)。
當(dāng)對半導(dǎo)體材料施加一定的電壓V，且P型材料接正極，N型材料接負(fù)極時，電子和空穴將克服在P-N結(jié)處的勢壘，分別流向P區(qū)和N區(qū)。在P-N結(jié)處電子與空穴相結(jié)合，電子由高能級躍遷到低能級，電子將多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光的現(xiàn)象，這就是發(fā)光二極管的發(fā)光原理，而由于半導(dǎo)體材料帶隙寬度的不同，不同帶隙的半導(dǎo)體發(fā)光時呈現(xiàn)出不同的顏色，且發(fā)光強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨電流強(qiáng)度的增大而變強(qiáng)。
圖1.二極管載流子移動示意圖
二極管的主要特性
光譜分布、峰值波長
LED發(fā)出的光不是單一波長，其波長具有正態(tài)分布的特點(diǎn)，最大功率處的波長即為峰值波長。
輻照度
輻照度表征了受輻射能照射的表面上，單位面積單位時間內(nèi)接受的輻射能的多少，即受照面上的輻射通量密度。
輻亮度
輻射亮度表示面輻射源上某點(diǎn)在一定方向上的輻射強(qiáng)弱的物理量，指面輻射源在單位時間內(nèi)通過垂直面元法線方向上單位面積、單位立體角上輻射出的能量，即輻射源在單位投影面積上，單位立體角內(nèi)的輻射通量。
色坐標(biāo)
色坐標(biāo)是色度學(xué)的重要內(nèi)容之一，光源的色坐標(biāo)測量是研究光源特性的重要方法之一，它具有廣泛的使用意義。色坐標(biāo)測量的基本原理是根據(jù)光源的光譜分布由色坐標(biāo)的基本規(guī)定計(jì)算得出的。
光通量
LED光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼視覺的部分稱為光通量，是指LED向整個空間單位時間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量。測量時為了能將LED發(fā)射的所有光輻射能量收集起來，可以通過積分球采集光信號，積分球結(jié)構(gòu)如圖2所示。積分球?yàn)橐磺驙羁涨唬涨坏谋砻嫱ǔＭ坑邪咨繉邮沟霉庑盘柨梢栽谄鋬?nèi)部實(shí)現(xiàn)多次漫反射，進(jìn)而使得其內(nèi)部光線均勻分布，在LED的另一側(cè)放置一探測器將收集到的光信號線性轉(zhuǎn)化為電信號，積分球中間的擋屏可以防止光源直接照射在探測器上。
圖2. 積分球結(jié)構(gòu)示意圖
色溫
不同光源，由于發(fā)光物質(zhì)不同，光譜功率分布有很大的差異，一種確定的光譜功率分布顯示為一種相應(yīng)的光色，人們用黑體加熱到不同溫度所發(fā)出的不同光色來表達(dá)一個光源的顏色，稱作光源的顏色溫度，簡稱色溫。
外部量子效率
當(dāng)光入射到光敏器材的表面時，部分光子會激發(fā)光敏材料產(chǎn)生電子空穴對，形成電流，把收集到的電子（經(jīng)過內(nèi)部電子空穴復(fù)合等過程）與所有入射的光子數(shù)之比稱為外量子效率。外量子效率是光電探測器的主要性能指標(biāo)之一。
實(shí)驗(yàn)裝置
此實(shí)驗(yàn)所需儀器如下表所示：
光譜儀 | MS11639光纖光譜儀 |
軟件 | UspectralPlus軟件 |
標(biāo)準(zhǔn)光源 | 鎢燈光源 |
電源 | 吉時利源表 |
光纖 | QP200石英光纖 |
附件 | 輻射型積分球、LED 燈珠夾具 |
MS11639光纖光譜儀
MS11639是一款光譜范圍為200nm-1100nm的光纖光譜儀。檢測器采用濱松COMS探測器， 16-bit A/D采樣和75%的量子效率為光譜儀提供高信噪比和大的動態(tài)范圍。該光譜儀在UV-VIS-NIS具有良好的響應(yīng)性能。相對常見產(chǎn)品， 采用雙閃耀光柵，優(yōu)化了UV 和NIR波段的光譜響應(yīng)，且提升了光譜儀靈敏度20%效率，并有效降低了50%的雜散光。配置雙閃耀光柵的MS11639光譜儀，有效平衡全譜段響應(yīng)，可以廣泛應(yīng)用在理化分析、生物樣品、半導(dǎo)體材料檢測，光學(xué)檢測和材料檢測等領(lǐng)域。
相比于傳統(tǒng)CCD探測器，CMOS探測器的應(yīng)用，在紫外波段具有更好的響應(yīng)。利用紫外差分吸收光譜技術(shù)，非常適合一氧化氮、二氧化硫的檢測。MS11639在0-40℃，光譜波長偏移< 0.1nm，具備良好熱穩(wěn)定性，能夠應(yīng)用于定性、定量檢測場景。
Uspectralplus光譜軟件
集光譜采集、查看與分析為一體，可一鍵計(jì)算輻照度、輻通量、輻亮度等輻射度學(xué)及光度學(xué)參數(shù)。其可測量參數(shù)如圖3所示。
圖3. 軟件輻射參數(shù)界面
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
裝置連接
將LED光源固定在積分球上，并在LED光源的垂直方向上用一根光纖將積分球與光譜儀相連，接通LED電源并用數(shù)據(jù)線將光譜儀與電腦相連。
光譜采集
（1）打開Uspectralplus軟件，選擇輻照度式。
（2）點(diǎn)亮LED光源，點(diǎn)擊連續(xù)采集按鈕選擇合適的積分時間與次數(shù)。
（3）關(guān)閉LED光源，點(diǎn)擊單次采集，采集完成后將其保存為暗光譜。
（4）點(diǎn)亮LED光源，靜置幾分鐘等待光源穩(wěn)定后點(diǎn)擊單次測量，得到LED光源的譜圖，光源色坐標(biāo)、光強(qiáng)等數(shù)據(jù)可從軟件右邊結(jié)果界面讀出。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果如圖4所示：
圖4. LED輻照度測試結(jié)果圖
從圖4中右側(cè)表中可以讀取出顏色信息，由表知輻照度Irra=0.6329、輻亮度Rad=0.6329、光通量Lumen=33.8733、色溫CCT=2754.22、功率Power=0.3079、外部量子效率EQE=1.4419e+7。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示利用積分球與光纖光譜儀搭建的LED測量系統(tǒng)可以快速便捷地測得LED光源的色坐標(biāo)、輻照度、輻亮度、光通量、色溫、功率、外部量子效率等數(shù)據(jù)。
