如何測量LED光通量和輻射功率？常用方法介紹及測量建議

通常，光通量和輻射功率是LED最重要的光學參數，但是有時也會提到光強空間分布。對於較小的器件，平均LED的強度仍然很常見。現實中，部分LED光通量只是一個不斷增加的數字，但仍未被廣泛測量過。對於固態照明源來說，光度學和比色輻射特性很重要。

測量總輻射功率和光通量的兩種主要方法是使用積分球或側角光度計/光譜輻射計。接下來的兩節將介紹這兩種測量方法，以及測量時會有哪些挑戰。

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積分球法

光通量有時也被稱為總光通量，以此強調它是所有方向的總和。 它也被稱為4π通量，因為一個完整的球體有4π的立體角。要收集4π立體角的所有光，光源須在球體的中心。圖1a為測量光通量的常規4π幾何結構。捕獲所有方向發射的輻射，並測量總光通量。

圖1 國際照明委員會為所有光源（a）和

不具有後向輻射的光源（b）推薦的球體幾何圖形

對於可以忽略不計或沒有輻射的光源，可以以更方便的前向通量或2π幾何空間測量總通量。在圖1b中，光源位於球壁的埠處。只有前半球發射的光輻射才用於測量。這種前向輻射是大多數LED產品的典型特徵。積分球必須根據測量幾何、同時遵循替代原理進行絕對校準。替代原理指出，應該通過與相似空間和光譜分布的標準源進行比較來測量測試光源。

選擇正確的尺寸

檢測樣品應始終小於球體的內徑，目的是讓樣品本身引起的干擾因素儘可能低。 然而，隨著球體越來越大，探測器上的入射光的強度就會降低。根據經驗，積分球的光通量是球體半徑的平方反比。因此，選擇測試對象的大小與球體尺寸對於高精度測量和好流量之間的有效平衡至關重要（參見圖2）。

圖2 直徑1m的球體（左）與直徑2m的球體（右）

直徑1m的球體是用於4π和2π幾何結構中測量大多數LED和模塊的理想選擇；直徑2m的球體適用於大型燈具和固態照明產品。

對於給定尺寸的檢測樣品，選擇球體的正確尺寸有一些準則。使用4π幾何圖形，檢測樣品的總表面應小於球體表面的2％。線性燈的長度應小於球體直徑的2/3。 使用2π幾何圖形，計量口的直徑及檢測樣品的最大延伸度不應超過球體直徑的1/3。

自吸收產生的誤差及修正方法

檢測對象本身就會吸收積分球中的光輻射。這種干擾形式，被稱為自吸收，可導致光輻射明顯衰減並導致測量偏差。檢測樣品越大越暗，衰減就越明顯。圖3就展示了兩個檢測樣品與所得到的傳輸與波長。自吸收可導致多達10％的誤差。

圖3 兩台待測設備的自吸收光譜

因此，自吸收修正需要適當的輔助光源，才能進行精確測量。全光譜的鹵素燈正符合這個要求。輔助光源必須位於擋板後面，以避免直接照射樣品，並應由穩定的電源進行操作。此光源用於確定被測設備、樣品架和連接電纜的光譜吸收特性，然後用實際測量值進行抵消。隨著塗層的反射率上升，球體面積與試樣的比例降低，自吸收效果增加。

近場吸收

處於光源附近的任何物體（例如插座）都會明顯吸收光，並可能導致較大的誤差。 這種所謂的近場吸收不能通過自吸收測量來修正。因此應避免這種影響。物體應儘可能遠離燈，避免形成空腔。此外，推薦用高反射率材料覆在物體表面。圖4展示了線性管架的一個良好解決方案。

圖4 避免近場吸收效應的例子

線性管的支架被放置在儘可能遠離光源的地方並塗覆有高反射率材料。

燃燒的位置

對於被動冷卻的固態照明源，測量應在製造商定義的燃燒位置進行。當以4π幾何圖形測量時，使用可以上下安裝的內部燈柱來實現光源的燃燒位置十分方便。在2π幾何圖形的情況下，可旋轉的球體是首選（參見例如圖5）。 整個球體可以在其安裝架內旋轉。 因此，測量埠位於側面、頂部或底部。

圖5 可旋轉的1米球體，位置敏感的光源

可以在其設計的工作位置進行測量

考慮測量誤差

造成測量誤差的因素是多方面的。LED的寬範圍輻射特性在測量光通量時很容易造成校準誤差。對於具有分散排射的部件，會有5％的變化，但是使用窄角LED，可能會發生超過10％的偏差。

如上所述，選擇正確的球體尺寸、執行自吸收修正、避免近場吸收和在光源的設計燃燒位置測量對於高精度測量是至關重要的。

造成誤差的很大一部分因素是在光源熱穩定之前就開始測量。此外，當依據CIE S 025或EN 13032-4進行測試時，推薦使用25°C的環境溫度。將一個會產生熱量的熱源放入積分球中，環境溫度（球體中的溫度）會升高，並且會與「正常」的運行溫度不同。 當以4π配置進行測量時，建議將球體的半球打開，以穩定熱源。在測量前，應該小心地合上球體，以避免空氣運動。這樣，正常運行中的環境條件可以最好地滿足。

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測角光度計方法

雖然使用測角光度計來測量光通量或輻射功率比使用積分球更費時，但是卻更精確。測量過程中不需要光通量標準燈作為參考值。如果必須測量不同發光強度分布的燈，它是首選的方法，是校準光通量標準燈的基準，為其他測試程序提供參考值。測角光度法的另一個顯著特徵是測量部分光通量和半強度角的能力。當測量與能量效率相關的特性或是否符合Zhaga規格時，需要確定這些值。

該方法可以通過一個圍繞LED的假想球體來描述。一個餘弦校正檢測器在距離r（球半徑）處的特定路徑上在球體的表面上移動。檢測器的作用就是用於確定輻照度E。計算公式見下圖：（dA代表檢測器面積，dΦ代表部分輻射通量）

為了確定總輻射功率，檢測器以角度θ遞增地移動。角度φ 從0°至360° 變化時，相應記錄角度θ 的值，根據球體的恆定緯度，掃描各個區域。總輻射功率Φ為：

或者，也可以使用固定的檢測器，掃描LED末端。但是，對於有對流冷卻的模塊和燈具，這可能不適用。

圖6 具有緊湊型屏蔽室的測角光度計

LED移動而檢測器不移動。角度φ 通過旋轉LED的機械軸進行調節，而角度θ通過旋轉其末端進行調節。檢測器位於光導軌上，可以在不同距離進行測量。

遠距離是發光強度分布的要求，以滿足遠場條件。使用測角光度計測量總通量，則不需要遠距離。假設檢測器具有良好的餘弦響應，則可以在各個角度精確測量輻照度。輻照度不是燈的屬性，而是落在表面上的光。通過在適當的位置測量虛擬球周圍的輻照度，可以通過積分來算出總通量。假設光源和檢測器之間沒有相互作用發生，則光源的大小几乎就是虛擬球體的大小。（編譯/CNLED網 James）

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