光电检测原理课程设计

1.引言

光通量是表征光源特性的一个重要参数，在电光源产业和照明工程中有广泛的应用。光源的光通量可以用分布光度计或积分球两种方法进行测量[1.2]。积分球方法虽然简单易行、设备投入少，但是由于积分球内物体的自吸收效应等问题，使得积分球偏离理想积分球，造成测试原理性误差，测量精确度不高。特别是对于LED光源，由于其体积小、窄光束等特点，采用积分球测量其光通量会造成较大误差，误差甚至达到30％～40％。同时积分球法为相对测量方法，必须采用光通量标准灯对系统进行定标。分布光度计测量光通量是通过测量光源的空间光强分布曲线并通过积分计算光源的光通量。分布光度计是绝对测量法，是较为精确的方法。用分布光度计测量光通量不需要标准灯,而且还可以根据光强分布计算出区域光通量、光效、光束角等对光源和灯具都非常重要的参数。

虽然分布光度计测量光源光通量在原理上是绝对精确的方法，但是在实际测量过程中由于仪器测量精度、测量条件、测量参数等的不同也会造成较大的测量误差。特别对于新型光源LED，其大小、种类、颜色、光束角等类型多样，对于不同颜色、不同光束角的LED采用同一台仪器测量其光通量，或针对同一只LED，采用不同的实验参数时，都会带来不同的测量误差。

本文将针对不同光束角、不同颜色、不同功率的LED样品，用分布光度计测量光通量存在的不确定性因素以及带来的误差，并在不同光束角、不同颜色的LED间进行了比较，提出了更精确、更省时地测量LED光通量的优化参数设置。分布光度计是一个高度自动化灯具配光性能测试系统，主要用于各类LED灯具、室内灯具、户外灯具、道路灯具以及投光灯具的光度性能测试，以及光源总光通量的测试。

[3]

LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的,LED的角度越小它的亮度越高。如果是5MM的LED180度角的白光的发光强度只有几百MCD,而15度角的光强就要去到一万多两万MCD的了,光强相差好几十倍,如果是用于户外照明，最好是用大功率的LED,亮度就更高了,单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百W都有。基于这个原理，本文中设计采用了不同角度来测量光通量。

LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是p型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。光通量用符号Φ表示，单位为流明（lm）。LED专用分布光度计测量量原理是采用固定探测器、旋转灯具法测量原理。测量灯具安装在两维旋转工作台上，通过激光瞄准器，使灯具的发光中心与旋转工作台的旋转中心重合。当灯具绕垂直轴转动时，与旋转工作台中心处于同一水平高度的探测器测量该水平面上各方向的光强值。当灯具绕水平轴转动时，则探测器测量垂直面上各方向的光强值。垂直轴和水平轴均可在±180°或0°～360°范围内连续旋转。根据测量灯具的要求，该系统可以在B-β、A-α或C-γ等平面坐标系中测量。当测量得到灯具在各方向上的光强分布数据后，计算机即可计算出其它光度参数。为了保证灯具安装稳定，根据不同的测量坐标系，该系统可以采用两种结构形式应用：双立柱结构、单立柱结构。

分布光度计是绝对法测量光源光通量的装置，其基本功能是测量光源发光强度的空间分布，从而通过积分计算得出光源向空间发出的光通量。

根据距离平方反比定律，照度和光强关系的公式为：

E=I⋅cosθ

r2

其中：E为光接收面上的照度，I为光强，，r为光源到光接收面的距离，θ为光束中心与光接收面法线的夹角。在本实验仪器中，θ始终为0，所以cosθ始终为1[4]，公式简化为：

E=I

r2

因此 I=E⋅r2

光通量按以下计算公式计算：

对于轴对称光源，有

π

Φ=2π⎰I

0isinθdθ=⎰IdΩii

式中，Ii为被测的各微面元上的光强值，Ωi为相应微面元的立体角[5]。

分布光度计的测量原理是将被测LED光源处于一个假想球面的球心。将闭合球面分成许多球带，各球带的面积为Si；各球带对应的光强即为Ii。通过测试以

r为半径的球面上各微小面元的照度值，计算出光强值及微面元对应的立体角从而实现了光通量测量。

对于LED光源光通量的测量采用精密的小型分布光度计，在不透光的暗室进行测量，保证了测量过程中不受外界光的干扰。专门的LED分布光度计一般有两种结构[6]：一种是LED固定，光度探测头围绕它旋转扫描；另一种是光度探测头固定，LED围绕封装外壳的顶点作旋转扫描。对于白炽灯之类的传统光源的测量，为了避免泡壳内灯丝因旋转而晃动，必须用前者测量；而对于LED这样的固态光源，则两种方法都可以采用。本文中使用的小型分布光度计是采用第二种方式，通过转动LED的垂直转轴并且探头保持固定来实现测量。由于垂直转轴通过LED的光度中心，所以就相当于探头绕着LED在离LED一定距离的球面上作圆周运动。

4.设计说明

本文采用LED专用分布光度计LED625对LED光通量进行测量。该分布光度计采用C-γ坐标系统，因为C-γ坐标系统能非常醒目地了解LED在空间的全部配光曲线，便于计算。CIE出版物No．127-1997对LED规定了两种标准的测量条件，即测量条件A和B。本文采用CIE A条件(316mm，远场)。被测LED光源选用1W、0.06W的共4种型号的LED，具体分类如表1所示。

4.1采样间隔角度γ取不同值的结果

γ为采样间隔角度，采样角度范围在-90 ～+90 之间，可调节的角度间隔γ为0.5 、1 、2 、5 ；C为自转间隔角度，角度越小平面越多，测试时间越久，可调节的角度间隔C为5 、10 、15 、30 、45 。

首先，本文将探讨在绝对法测量LED光通量时，不同的γ角度间隔对不同类型的LED测试结果造成的影响。采用控制变量法，将自转间隔C固定在5 ，γ角度依次取0.5 、1 、2 、5 。对于大功率LED，采用恒流350mA，测试中为了消除温度对测试结果的影响，本文中将LED点亮后稳定30min，达到热平衡再进行测试；对于小功率LED，采用恒流20mA。光通量相对误差的计算以γ取0.5 的测量结果为基准。

对于窄光束的LED，如本文中2号、4号LED，当采样间隔γ角度改变时，会使光通量测量结果产生较大误差。原因在于，当γ角增大，在一个平面内光度探头采样点数减少，并结合窄光束LED配光曲线在小角度内急剧变化的特性，从而[7]

造成光通量相对误差较大。因此，在测量窄光束LED的光通量时，如果要求较高的测量精度，应该减小γ角度的采样间隔，可以选择本文采用的最小间隔0.5 ，这样将会使得测试数据更为精确。

如配光LED平均光束角较宽，在100度以上，如本文设计中1号、3号LED，对于不同的γ角度间隔，光通量相对测量误差很小，达到了较高的精度。因此，在测量光束角较宽的LED时，可以增大γ角度间隔，从而可以节省测试时间，同时又保证了一定的精度。

4.2自转间隔角度C取不同间隔值的结果

采用控制变量法，将γ角固定在5 ，自转间隔γ依次按5 、10 、15 、30 、 45 。进行变化，对于l、3、4号LED，光通量测量相对误差在精确测量要求之内，对2号LED，光通量测试相对误差较大，这是由于2号LED不同平面的配光曲线不对称，而且重合性较差。对于1、3、4号LED，各平面配光曲线重合度与对称性均较好，所以当C值改变，即改变测量所取平面的数量时，对光通量测试结果影响不大。因此，在实际测量中，可将C值增大，从而大大减少测试所需时间，对于实际测量是非常有意义的。

5.结果讨论

本文采用分布光度计法对不同光束角的LED进行了光通量测量分析，针对窄光束角的LED，采样间隔γ角是影响光通量测量不确定性的主要因素；而对于各平面配光曲线重合度和对称性较差的LED，决定采样平面个数的间隔角度C角是影响光通量测量不确定性的主要因素。根据不同类型的LED，在测试时优化其测量参数，将不仅有利于测量准确度，而且可以节省大量测试时间。

参考文献

[1] Kathleen Muray．New international recommendations on LED measurements．Proceedings of SPIE，1997.V01.3140：12-18．

[2] Dong hui Wang，Hui Qian，Xin Yuan．Fast and high-accuracy spectral measurements of LED by 1inear CCD sensor and software calibration．Proceedings of SPIE，2005，V01．5633：578—584．

[3] Liu Muqing，Zhou Xiao li，Li Wenyi，et a1．Study on methodology of LED’S luminous flux measurement with integrating sphere．Journal of Physics D：Applied．Physics，2008，41：144012．

[4] EVERFINE PHOTO-E-INFO CO．LTD．LED626 LED Goniophotometers User’S Manual

[5] 周太明．光源原理与设计(第二版)．上海：复且大学出版社．2006.2．

[6] 吕正，等．从LED的配光曲线谈起．中国照明电器，2004(10)．

[7] 徐志洁、宁日波主编.大学物理实验.兵器工业出版社.20010年3月第1版