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如何测量LED光通量和辐射功率？常用方法介绍及测量建议

通常，光通量和辐射功率是LED最重要的光学参数，但是有时也会提到光强空间分布。对于较小的器件，平均LED的强度仍然很常见。现实中，部分LED光通量只是一个不断增加的数字，但仍未被广泛测量过。对于固态照明源来说，光度学和比色辐射特性很重要。

测量总辐射功率和光通量的两种主要方法是使用积分球或侧角光度计/光谱辐射计。接下来的两节将介绍这两种测量方法，以及测量时会有哪些挑战。

积分球法和测量几何尺寸

光通量有时也被称为总光通量，以此强调它是所有方向的总和。 它也被称为4π通量，因为一个完整的球体有4π的立体角。要收集4π立体角的所有光，光源须在球体的中心。图1a为测量光通量的常规4π几何结构。捕获所有方向发射的辐射，并测量总光通量。

图1. 国际照明委员会为所有光源（a）和不具有后向辐射的光源（b）推荐的球体几何图形

对于可以忽略不计或没有辐射的光源，可以以更方便的前向通量或2π几何空间测量总通量。在图1b中，光源位于球壁的端口处。只有前半球发射的光辐射才用于测量。这种前向辐射是大多数LED产品的典型特征。积分球必须根据测量几何、同时遵循替代原理进行绝对校准。替代原理指出，应该通过与相似空间和光谱分布的标准源进行比较来测量测试光源。

选择正确的尺寸

检测样品应始终小于球体的内径，目的是让样品本身引起的干扰因素尽可能低。 然而，随着球体越来越大，探测器上的入射光的强度就会降低。根据经验，积分球的光通量是球体半径的平方反比。因此，选择测试对象的大小与球体尺寸对于高精度测量和好流量之间的有效平衡至关重要（参见图2）。

图2. 直径1m的球体（左）是用于4π和2π几何结构中测量大多数LED和模块的理想选择。直径2m的球体（右）适用于大型灯具和固态照明产品。

对于给定尺寸的检测样品，选择球体的正确尺寸有一些准则。使用4π几何图形，检测样品的总表面应小于球体表面的2％。线性灯的长度应小于球体直径的2/3。 使用2π几何图形，计量口的直径及检测样品的最大延伸度不应超过球体直径的1/3。

自吸收产生的误差及修正方法

检测对象本身就会吸收积分球中的光辐射。这种干扰形式，被称为自吸收，可导致光辐射明显衰减并导致测量偏差。检测样品越大越暗，衰减就越明显。图3就展示了两个检测样品与所得到的传输与波长。自吸收可导致多达10％的误差。

图3.两台待测设备的自吸收光谱

因此，自吸收修正需要适当的辅助光源，才能进行精确测量。全光谱的卤素灯正符合这个要求。辅助光源必须位于挡板后面，以避免直接照射样品，并应由稳定的电源进行操作。此光源用于确定被测设备、样品架和连接电缆的光谱吸收特性，然后用实际测量值进行抵消。随着涂层的反射率上升，球体面积与试样的比例降低，自吸收效果增加。

近场吸收

处于光源附近的任何物体（例如插座）都会明显吸收光，并可能导致较大的误差。 这种所谓的近场吸收不能通过自吸收测量来修正。因此应避免这种影响。物体应尽可能远离灯，避免形成空腔。此外，推荐用高反射率材料覆在物体表面。图4展示了线性管架的一个良好解决方案。

图4. 山东南大学学晶体材料国家重点实验室2016学术年会暨禹城产业对接洽谈会在禹城举行避免近场吸收效应的例子。线性管的支架被放置在尽可能远离光源的地方并涂覆有高反射率材料。

燃烧的位置

对于被动冷却的固态照明源，测量应在制造商定义的燃烧位置进行。当以4π几何图形测量时，使用可以上下安装的内部灯柱来实现光源的燃烧位置十分方便。在2π几何图形的情况下，可旋转的球体是首选（参见例如图5）。 整个球体可以在其安装架内旋转。 因此，测量端口位于侧面、顶部或底部。

图5.可旋转的1米球体。位置敏感的光源可以在其设计的工作位置进行测量。

考虑测量误差

造成测量误差的因素是多方面的。LED的宽范围辐射特性在测量光通量时很容易造成校准误差。对于具有分散排射的部件，会有5％的变化，但是使用窄角LED，可能会发生超过10％的第2、防水卷材拉力实验机横梁运行检查偏差。

如上所述，选择正确的球体尺寸、执行自吸收修正、避免近场吸收和在光源的设计燃烧位置测量对于高精度测量是至关重要的。

造成误差的很大一部分因素是在光源热稳定之前就开始测量。此外，当依据CIE S 025或EN 进行测试时，推荐使用25°C的环境温度。将一个会产生热量的热源放入积分球中，环境温度（球体中的温度）会升高，并且会与“正常”的运行温度不同。 当以4π配置进行测量时，建议将球体的半球打开，以稳定热源。在测量前，应该小心地合上球体，以避免空气运动。这样，正常运行中的环境条件可以最好地满足。

测角光度计方法

虽然使用测角光度计来测量光通量或辐射功率比使用积分球更费时，但是却更精确。测量过程中不需要光通量标准灯作为参考值。如果必须测量不同发光强度分布的灯，它是首选的方法，是校准光通量标准灯的基准，为其他测试程序提供参考值。测角光度法的另一个显著特征是测量部分光通量和半强度角的能力。当测量与能量效率相关的特性或是否符合Zhaga规格时，需要确定这些值。

该方法可以通过一个围绕LED的假想球体来描述。一个余弦校正检测器在距离r（球半径）处的特定路径上在球体的表面上移动。检测器的作用就是用于确定辐照度E。计算公式见下图：（dA代表检测器面积，dΦ代表部分辐射通量）

为了确定总辐射功率，检测器以角度θ递增地移动。角度φ 从0°至360° 变化时，相应记录角度θ 的值，根据球体的恒定纬度，扫描各个区域。总辐射功率Φ为：

或者，也可以使用固定的检测器，扫描LED末端。但是，对于有对流冷却的模块和灯具，这可能不适用。

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图6.具有紧凑型屏蔽室的测角光度计。LED移动而检测器不移动。角度φ 通过旋转LED的1.使用的电子拉力机油液黏度低(过稀)机械轴进行调节，而角度θ通过旋转其末端进行调节。检测器位于光导轨上，可以在不同距离进行测量。

远距离是发光强度分布的要求，以满足远场条件。使用测角光度计测量总通量，则不需要远距离。假设检测器具有良好的余弦响应，则可以在各个角度精确测量辐照度。辐照度不是灯的属性，而是落在表面上的光。通过在适当的位置测量虚拟球周围的辐照度，可以通过积分来算出总通量。假设光源和检测器之间没有相互作用发生，则光源的大小几乎就是虚拟球体的大小。