| 发布日期：2022-07-18 |
辐射量
辐射能
同电磁辐射一样，光辐射也是一种能量传播方式，以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量称作辐射能，通常用字符Qe表示。
单位：焦耳（J）。
辐通量
单位时间内发射、接收的辐射能称之为辐通量，通常用Φe表示。若在dt时间内发射、传输或接收的辐射能为dQe，则相应的辐通量为：Φe=dQe/dt。
单位：瓦特（W）。
辐出度
辐射源单位发射面积发出的辐通量，定义为辐射源辐出度，以Me表示，假定辐射源的微面积dA发出的辐通量为dΦe，则辐出度Me=dQe/dA。
单位：瓦特每平方米（W/m2）。
辐照度
辐射度又称辐射照度，是受照面单位面积上的辐射通量，假定受照面的微面积dA发出的辐通量为dΦe，则辐照度Ee=dΦe/dA。
单位：瓦每平方米（W/m2）。
辐强度
点辐射源向各方发出辐射，在某一方向，在元立体角dΩ内发出的辐射通量为dΦe，则辐射强度Ie=dQe/dΩ。
单位：瓦特每球面度（W/sr）。
辐亮度
为了表征具有有限尺寸辐射源辐通量的空间分布，采用了“辐亮度”这样一个辐射量。元面积为dA的辐射量，在和法线N成θ角方向，在元立体角dΩ内发出的辐射通量为dΦe，则辐亮度Le=dΦe/cosθdAdΩ，因此可认为元面积dA在θ方向的辐亮度就是该辐射面在垂直于θ方向的平面上的单位投影面积在单位立体角内发出的辐通量。
单位：瓦特每球面度平方米[W/（sr·m2）]。
光学量
光通量
标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量称为光通量，通常以Φv表示。
单位：流明（lm）。
光出射度
光源单位发光面积发出的光通量，定义为光源的光出射度，假定光源的微发光面积dA发出的光通量为dΦv，则光出射度Mv=dΦv/dA。
单位：流明每平方米（lm/m2）。
光照度
单位受照面积就受的光通量，定义为光照度，假定光照面微面积dA上接受的光通量为dΦv，则该微面上的光照度Ev=dΦv/dA。
单位：勒克斯（lx）。
发光强度
点光源向各方向发出可见光，在某一方向，在元立体角dΩ内发出的光通量为dΦv，则该点光源在该方向上的发光强度Iv=dΦv/dΩ。
单位：坎德拉(cd)。
光亮度
为了描述具有有限尺寸的发光体发出可见光在空间分布的情况，采用了光亮度这样一个光学量。发光面的元面积dA，在和发光表面法线N成θ角的方向，在元立体角dΩ内发出的光通量为dΦv，则光亮度Lv=Iv/cosθdA，即元发光面dA在θ方向的光亮度等于元面积dA在θ方向的发光强度Iv与该面元面积在垂直于该方向平面上的投影cosθdA之比。
测试原理
辐照度测量需要一已知辐射能量分布的标准光源，通过经过定标的标准光源以及光纤光谱仪即可测得待测物的光谱辐射能量分布曲线，通过辐射能量分布曲线可进一步计算出辐照度、辐射通量等参数。
测试实例
LED光源辐照度测试
LED作为当今最重要的光源之一，正在以其独有的特性全面渗入到社会的各个层面和角落。LED产业大批量生产多种颜色、亮度的LED的同时就需要精确地测量其光学特性。随着LED 产业的快速发展，出现了各式各样的LED 产品，因此面向不同的应用，会根据LED 发光波长和光色参数去选取合适的LED，LED的分选及品控应运而生。
由于LED发光面独有的外形尺寸，导致其发光很难均匀化，通过使用积分球减少光损失的配置适合大多数LED测量应用。对于光学辐射测量来说，积分球是一种很简单的组件。积分球的内表面具有完美的散射性，光线在其内表面发生均匀反射。辐射光在内表面上经过多次反射后变得十分均匀，导致在球壁上任何一点的光辐射度都相同。积分球和光谱仪的搭配，使得LED测量的再现性大幅的提高。
原理
LED是light emitting diode（发光二极管）的缩写，它属于固态光源，基本结构是一块电致发光的半导体材料，通常红光采用砷化镓，黄光采用氮化硅，绿光采用磷化镓，蓝光采用氮化镓。将半导体发光材料置于一个有引线的架子上，周围再用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。
LED的结构如图1所示，主要分为衬底，外延层，透明接触层，P型与N型电极，钝化层。发光二极管的核心部分是P型半导体和N型半导体组成的晶片，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，随着这一扩散的进行，在P-N结处形成了一个高度eΔV的势垒，阻止电子和空穴进一步扩散，达到平衡状态。
当对半导体材料施加一定的电压V，且P型材料接正极，N型材料接负极时，电子和空穴将克服在P-N结处的势垒，分别流向P区和N区。在P-N结处电子与空穴相结合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光的现象，这就是发光二极管的发光原理，而由于半导体材料带隙宽度的不同，不同带隙的半导体发光时呈现出不同的颜色，且发光强度在一定范围内随电流强度的增大而变强。
图1.二极管载流子移动示意图
二极管的主要特性
光谱分布、峰值波长
LED发出的光不是单一波长，其波长具有正态分布的特点，最大功率处的波长即为峰值波长。
辐照度
辐照度表征了受辐射能照射的表面上，单位面积单位时间内接受的辐射能的多少，即受照面上的辐射通量密度。
辐亮度
辐射亮度表示面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量，指面辐射源在单位时间内通过垂直面元法线方向上单位面积、单位立体角上辐射出的能量，即辐射源在单位投影面积上，单位立体角内的辐射通量。
色坐标
色坐标是色度学的重要内容之一，光源的色坐标测量是研究光源特性的重要方法之一，它具有广泛的使用意义。色坐标测量的基本原理是根据光源的光谱分布由色坐标的基本规定计算得出的。
光通量
LED光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的部分称为光通量，是指LED向整个空间单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量。测量时为了能将LED发射的所有光辐射能量收集起来，可以通过积分球采集光信号，积分球结构如图2所示。积分球为一球状空腔，空腔的表面通常涂有白色涂层使得光信号可以在其内部实现多次漫反射，进而使得其内部光线均匀分布，在LED的另一侧放置一探测器将收集到的光信号线性转化为电信号，积分球中间的挡屏可以防止光源直接照射在探测器上。
图2. 积分球结构示意图
色温
不同光源，由于发光物质不同，光谱功率分布有很大的差异，一种确定的光谱功率分布显示为一种相应的光色，人们用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表达一个光源的颜色，称作光源的颜色温度，简称色温。
外部量子效率
当光入射到光敏器材的表面时，部分光子会激发光敏材料产生电子空穴对，形成电流，把收集到的电子（经过内部电子空穴复合等过程）与所有入射的光子数之比称为外量子效率。外量子效率是光电探测器的主要性能指标之一。
实验装置
此实验所需仪器如下表所示：
光谱仪 | MS11639光纤光谱仪 |
软件 | UspectralPlus软件 |
标准光源 | 钨灯光源 |
电源 | 吉时利源表 |
光纤 | QP200石英光纤 |
附件 | 辐射型积分球、LED 灯珠夹具 |
MS11639光纤光谱仪
MS11639是一款光谱范围为200nm-1100nm的光纤光谱仪。检测器采用滨松COMS探测器， 16-bit A/D采样和75%的量子效率为光谱仪提供高信噪比和大的动态范围。该光谱仪在UV-VIS-NIS具有良好的响应性能。相对常见产品， 采用双闪耀光栅，优化了UV 和NIR波段的光谱响应，且提升了光谱仪灵敏度20%效率，并有效降低了50%的杂散光。配置双闪耀光栅的MS11639光谱仪，有效平衡全谱段响应，可以广泛应用在理化分析、生物样品、半导体材料检测，光学检测和材料检测等领域。
相比于传统CCD探测器，CMOS探测器的应用，在紫外波段具有更好的响应。利用紫外差分吸收光谱技术，非常适合一氧化氮、二氧化硫的检测。MS11639在0-40℃，光谱波长偏移< 0.1nm，具备良好热稳定性，能够应用于定性、定量检测场景。
Uspectralplus光谱软件
集光谱采集、查看与分析为一体，可一键计算辐照度、辐通量、辐亮度等辐射度学及光度学参数。其可测量参数如图3所示。
图3. 软件辐射参数界面
实验设计
装置连接
将LED光源固定在积分球上，并在LED光源的垂直方向上用一根光纤将积分球与光谱仪相连，接通LED电源并用数据线将光谱仪与电脑相连。
光谱采集
（1）打开Uspectralplus软件，选择辐照度式。
（2）点亮LED光源，点击连续采集按钮选择合适的积分时间与次数。
（3）关闭LED光源，点击单次采集，采集完成后将其保存为暗光谱。
（4）点亮LED光源，静置几分钟等待光源稳定后点击单次测量，得到LED光源的谱图，光源色坐标、光强等数据可从软件右边结果界面读出。
实验数据
实验测得的结果如图4所示：
图4. LED辐照度测试结果图
从图4中右侧表中可以读取出颜色信息，由表知辐照度Irra=0.6329、辐亮度Rad=0.6329、光通量Lumen=33.8733、色温CCT=2754.22、功率Power=0.3079、外部量子效率EQE=1.4419e+7。
实验结果
实验结果显示利用积分球与光纤光谱仪搭建的LED测量系统可以快速便捷地测得LED光源的色坐标、辐照度、辐亮度、光通量、色温、功率、外部量子效率等数据。
