光強與光通量測量試驗儀

一、實驗目的

1.用CIE-127的標準測量LED的發光強度。
2.用積分球測量鹵素燈的光通量。
3.用積分球測量各種LED的光通量。

二、實驗設備

    THQJF-1型光強與光通量測量實驗儀、TH-WY1型直流數顯穩壓電源、直徑0.3m的積分球、LED光強測試架、光通量標準燈、LED（白、紅、綠、藍4種）。

三、實驗原理

人們通常將發光的物體叫做光源。光源可分為天然和人造兩種。太陽、發光星體以及地球上的各種爆炸物屬於天然光源；而白熾燈、汞燈、脈衝燈以及各種激光器和固體發光器件等均屬於人造光源。除了特殊用途的光源外，如紅外光源、紫外光源和激光器等，大量的光源是作為照明用的。由於照明的效果最終是以人眼來評定的，所以照明光源的特性必須用基於人眼的光學參數來描述，即用光度學量來描述。
1. 光譜光視覺效率
人眼的視覺神經對各種不同波長光的感光靈敏度是不一樣的。對綠光最靈敏，對紅、藍光靈敏度則較低。另外，由於受視覺生理和心理作用，不同的人對各種波長光的感光靈敏度也有差異。國際照明委員會(CIE)根據對許多人的大量觀察結果，確定了人眼對各種波長光的平均靈敏度，稱為“標準光度觀察者”的光譜光視效率，或稱為視見函數。
 
圖1 光譜光視效率（視見函數）曲線
如圖1所示，圖中實線是亮度大於3cd/m2時的明視覺光譜光視效率，用V(λ)表示，此時視覺主要是由人眼視網膜上分布的椎體細胞的刺激所引起的，其V(λ)的值在555nm處。圖中虛線是亮度小於0.001 cd/m2時的暗視覺光譜光視效率，用V＇(λ)表示，此時的視覺主要是由人眼視網膜上分布的杆狀細胞刺激引起的，其中V＇(λ)的值在507nm處。
因此在此測量光強和光通量時，必須采用光譜響應曲線與人眼函數一樣的探測器。這種純粹的探測器是不存在的，實際應用中一般是采用矽探測器和人眼函數修正玻璃相結合，可以得到和人呀函數相類似的光譜響應曲線。
2. 光強與光通量
由於人眼對等能量的不用波長的課件光輻射能所產生的光感覺是不同的，因此按人眼函數V(λ)來評價的輻射通量φ(λ)即為光通量φ，即： 

式中，為明視覺的光譜光視效率函數，亦稱為光功當量，它表示人眼對波長為555nm處光輻射產生光感覺的效能。按國家實用溫標IPTS-168的理論計算，其值為680lm/W。
光度學中最基本的單位是發光強度，單位為坎德拉（cd），他是國際單位製中7個基本單位之一。其定義為555nm的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1/683W·sr時，在該方向上的發光強度為1cd。
光通量的單位為流明（lm），它是發光強度為1cd的均勻點光源在單位立體角（1sr）內發出的光通量。
如果光源為點光源，並且是均勻發光體，那麽光強（I）與光通量（φ）符合距離反比平方定律。距離平方反比定律來自於點光源向空間發射球麵波的特性。點光源在傳播方向某點輻照度和該點打點光源的距離平方成反比。
在任一錐立體角內，假設在傳輸路徑上沒有光能損失或分束，那麽點光源向空間發出的輻射通量是不變的。然而位於球心的均勻點光源所張開的立體角所截表麵積卻和球半徑的平方成正比，這樣在球麵上的輻照度就喝點光源到該麵的距離平方成正比，即：
 
 
圖2 CIE-A                             圖3 CIE-B
3.  CIE標準
近30年來，LED發光二極管的技術經曆了飛速發展。LED以其固有的高效率、長壽命、低損耗、耐振動、響應速度快等優點得到了廣泛的應用，比如指示燈、顯示屏、交通信號燈等，目前正在探索把它應用於照明領域。廣泛應用對LED光學參數的測量技術和測量標準提出了新的要求。CIE提出了兩種平均法向光強的標準測量方法。如圖2、圖3所示。
4. 積分球
積分球又稱為光通球，是一個中空的完整球殼，且球內壁各點反射均勻。光源在球壁上任意一點的光照度與光源光通量成正比，因此可以利用經過校準的光通量計來測量待測燈的光通量，如圖4所示。
 
圖4 積分球測量光通量示意圖
積分球采用研製的F4塗料噴射技術進行噴塗，可以保證積分球在250-2500nm範圍內，可以極大的提高積分球的效率，且光學穩定性非常好，其光譜曲線如圖5所示，該曲線由中國計量科學研究院測試。
 
圖5 積分球光譜曲線圖

四、實驗內容與步驟

(一)  測量LED光強
用細線將探測器和THQJF-1型光強與光通量測量午夜福利大片上的“LED電源”相連。
1. 調節光源和探測器同軸等高
如圖6所示，將探測器和LED光源放置在導軌上，並將兩模塊靠攏。調節高低、左右，使LED燈和探測器的敏感元件在同一條直線上，並和導軌平行（微調LED光源和探測器的角度，使光強值，此時即可認為同軸等高調節完畢）。
 
圖6  LED光強測試架結構圖
2. 測量光強
將LED光源放置在刻度“0cm”處，按照表1中的數據改變探測器的位置，並讀取相應位置下的光強值，並將數據記錄在表1中。
定義：光源滑塊的位置為X1=0；探測器滑塊的位置為X2；光源與滑塊的距離為L= X2- X1-3.5；單位都為（厘米）。
表1  不同位置下，LED的光強的數據

X2	7.5	8.5	9.5	10.5	11.5	12.5	13.5	14.5	15.5	16.5	17.5
L	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
I (cd)
X2	18.5	19.5	20.5	21.5	22.5	23.5	24.5	25.5	26.5	27.5	28.5
X1-X2	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
I (cd)
X2	29.5	30.5	31.5	32.5	33.5	34.5
X1-X2	26	27	28	29	30	31
I (cd)

(二)  積分球法測光源的光通量
1.  鹵素燈的光通量測量
  (1) 如圖7所示，用屏蔽線將積分球上的探測器與THQJF-1型光強與光通量測量實驗箱的“光信號輸入”連接。將“顯示切換”置於“光通量”，調節調零旋鈕，使數顯框顯示為零。
 
圖7 積分球測量光通量接線圖
  (2) 打開積分球，將待測鹵素燈安裝在積分球中心的燈座上。將積分球上的電源線連接到TH-WY1型直流數顯穩壓電源的“主路輸出”上，然後關閉積分球。打開直流電源，按照表2數據依次增大通過待測鹵素燈的電流，並記錄下此時對應的電壓和光通量的數值，並將數據記錄在表2中。
表2 鹵素燈的功率與光通量實驗數據

電流	0.80	0.85	0.90	0.95	1.00	1.05	1.10.	1.15	1.20	1.25	1.30
電壓
光通
電流	1.35	1.40	1.45	1.50	1.55	1.60
電壓
光通

2.  LED等的光通量測量
(1) 如圖7所示，用屏蔽線將積分球上的探測器與THQJF-1型光強與光通量測量實驗箱的“光信號輸入”連接。將“顯示切換”置於“光通量”，調節調零旋鈕，使數顯框顯示為零。
(2) 打開積分球，將待測白色LED等安裝在積分球中心的燈座上。注意，安裝LED是要注意其極性，燈座上的紅色對應LED的正極，即LED的長管腳。將積分球上的電源線來接到TH-WY1型直流數顯穩壓電源的“副路輸出”上，然後關閉積分球。打開直流電源，調節電壓輸出為3.2V（0.02A），依次更換不同顏色的LED（綠、藍、紅），記錄下此時對應的光強和光通量的數值，並將數據記錄在表3中。
表3 各色LED燈的光通量測量

LED	白色	綠色	藍色	紅色
電壓／Ｖ	3.2V	3.2V	3.2V	3.2V
電流／Ａ	0.02	0.02	0.02	0.02
光通量／lm
光強／cd

五、實驗數據

1. 根據表1中的實驗數據，繪製L~I·L2的曲線，並分析是否符合平方反比定律。
2. 根據表2中的實驗數據，作光通量標準燈的P~φ特性曲線。
3. 根據表2中的實驗數據，比較不同顏色LED燈光源的光強和光通量的差別。