| 發布日期：2023-03-13 |
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）。
單位時間內發射、接收的輻射能稱之為輻通量，通常用Φe表示。若在dt時間內發射、傳輸或接收的輻射能為dQe，則相應的輻通量為：Φe=dQe/dt。
單位：瓦特（W）。
輻射源單位發射面積發出的輻通量，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發出的輻通量為dΦe，則輻照度Ee=dΦe/dA。
單位：瓦每平方米（W/m2）。
點輻射源向各方發出輻射，在某一方向，在元立體角dΩ內發出的輻射通量為dΦe，則輻射強度Ie=dQe/dΩ。
單位：瓦特每球面度（W/sr）。
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內發出的輻射通量為dΦe，則輻亮度Le=dΦe/cosθdAdΩ，因此可認為元面積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發出的輻通量。
單位：瓦特每球面度平方米[W/（sr·m2）]。
標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）。
光源單位發光面積發出的光通量，定義為光源的光出射度，假定光源的微發光面積dA發出的光通量為dΦv，則光出射度Mv=dΦv/dA。
單位：流明每平方米（lm/m2）。
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）。
點光源向各方向發出可見光，在某一方向，在元立體角dΩ內發出的光通量為dΦv，則該點光源在該方向上的發光強度Iv=dΦv/dΩ。
單位：坎德拉(cd)。
為了描述具有有限尺寸的發光體發出可見光在空間分布的情況，采用了光亮度這樣一個光學量。發光面的元面積dA，在和發光表面法線N成θ角的方向，在元立體角dΩ內發出的光通量為dΦv，則光亮度Lv=Iv/cosθdA，即元發光面dA在θ方向的光亮度等于元面積dA在θ方向的發光強度Iv與該面元面積在垂直于該方向平面上的投影cosθdA之比。
輻照度測量需要一已知輻射能量分布的標準光源，通過經過定標的標準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一步計算出輻照度、輻射通量等參數。
LED光源輻照度測試
LED作為當今最重要的光源之一，正在以其獨有的特性全面滲入到社會的各個層面和角落。LED產業大批量生產多種顏色、亮度的LED的同時就需要精確地測量其光學特性。隨著LED 產業的快速發展，出現了各式各樣的LED 產品，因此面向不同的應用，會根據LED 發光波長和光色參數去選取合適的LED，LED的分選及品控應運而生。
由于LED發光面獨有的外形尺寸，導致其發光很難均勻化，通過使用積分球減少光損失的配置適合大多數LED測量應用。對于光學輻射測量來說，積分球是一種很簡單的組件。積分球的內表面具有完美的散射性，光線在其內表面發生均勻反射。輻射光在內表面上經過多次反射后變得十分均勻，導致在球壁上任何一點的光輻射度都相同。積分球和光譜儀的搭配，使得LED測量的再現性大幅的提高。
原理
LED是light emitting diode（發光二極管）的縮寫，它屬于固態光源，基本結構是一塊電致發光的半導體材料，通常紅光采用砷化鎵，黃光采用氮化硅，綠光采用磷化鎵，藍光采用氮化鎵。將半導體發光材料置于一個有引線的架子上，周圍再用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用。
LED的結構如圖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。發光二極管的核心部分是P型半導體和N型半導體組成的晶片，電子從N區擴散到P區，空穴從P區擴散到N區，隨著這一擴散的進行，在P-N結處形成了一個高度eΔV的勢壘，阻止電子和空穴進一步擴散，達到平衡狀態。
當對半導體材料施加一定的電壓V，且P型材料接正極，N型材料接負極時，電子和空穴將克服在P-N結處的勢壘，分別流向P區和N區。在P-N結處電子與空穴相結合，電子由高能級躍遷到低能級，電子將多余的能量以發射光子的形式釋放出來，產生電致發光的現象，這就是發光二極管的發光原理，而由于半導體材料帶隙寬度的不同，不同帶隙的半導體發光時呈現出不同的顏色，且發光強度在一定范圍內隨電流強度的增大而變強。
二極管的主要特性
LED發出的光不是單一波長，其波長具有正態分布的特點，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在一定方向上的輻射強弱的物理量，指面輻射源在單位時間內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，單位立體角內的輻射通量。
色坐標是色度學的重要內容之一，光源的色坐標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。色坐標測量的基本原理是根據光源的光譜分布由色坐標的基本規定計算得出的。
LED光源發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發射的能引起人眼視覺的輻射通量。測量時為了能將LED發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，積分球結構如圖2所示。積分球為一球狀空腔，空腔的表面通常涂有白色涂層使得光信號可以在其內部實現多次漫反射，進而使得其內部光線均勻分布，在LED的另一側放置一探測器將收集到的光信號線性轉化為電信號，積分球中間的擋屏可以防止光源直接照射在探測器上。
不同光源，由于發光物質不同，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的光色，人們用黑體加熱到不同溫度所發出的不同光色來表達一個光源的顏色，稱作光源的顏色溫度，簡稱色溫。
當光入射到光敏器材的表面時，部分光子會激發光敏材料產生電子空穴對，形成電流，把收集到的電子（經過內部電子空穴復合等過程）與所有入射的光子數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之一。
實驗裝置
此實驗所需儀器如下表所示：
MS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范圍。該光譜儀在UV-VIS-NIS具有良好的響應性能。相對常見產品， 采用雙閃耀光柵，優化了UV 和NIR波段的光譜響應，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，可以廣泛應用在理化分析、生物樣品、半導體材料檢測，光學檢測和材料檢測等領域。
相比于傳統CCD探測器，CMOS探測器的應用，在紫外波段具有更好的響應。利用紫外差分吸收光譜技術，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，具備良好熱穩定性，能夠應用于定性、定量檢測場景。
Uspectralplus光譜軟件
集光譜采集、查看與分析為一體，可一鍵計算輻照度、輻通量、輻亮度等輻射度學及光度學參數。其可測量參數如圖3所示。
實驗設計
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電源并用數據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）點亮LED光源，點擊連續采集按鈕選擇合適的積分時間與次數。
（3）關閉LED光源，點擊單次采集，采集完成后將其保存為暗光譜。
（4）點亮LED光源，靜置幾分鐘等待光源穩定后點擊單次測量，得到LED光源的譜圖，光源色坐標、光強等數據可從軟件右邊結果界面讀出。
實驗數據
實驗測得的結果如圖4所示： 從圖4中右側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。 實驗結果 實驗結果顯示利用積分球與光纖光譜儀搭建的LED測量系統可以快速便捷地測得LED光源的色坐標、輻照度、輻亮度、光通量、色溫、功率、外部量子效率等數據。
