光强与光通量测量试验仪

一、实验目的

1.用CIE-127的标准测量LED的发光强度。
2.用积分球测量卤素灯的光通量。
3.用积分球测量各种LED的光通量。

二、实验设备

    THQJF-1型光强与光通量测量实验仪、TH-WY1型直流数显稳压电源、直径0.3m的积分球、LED光强测试架、光通量标准灯、LED（白、红、绿、蓝4种）。

三、实验原理

人们通常将发光的物体叫做光源。光源可分为天然和人造两种。太阳、发光星体以及地球上的各种爆炸物属于天然光源；而白炽灯、汞灯、脉冲灯以及各种激光器和固体发光器件等均属于人造光源。除了特殊用途的光源外，如红外光源、紫外光源和激光器等，大量的光源是作为照明用的。由于照明的效果最终是以人眼来评定的，所以照明光源的特性必须用基于人眼的光学参数来描述，即用光度学量来描述。
1. 光谱光视觉效率
人眼的视觉神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度则较低。另外，由于受视觉生理和心理作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率，或称为视见函数。
 
图1 光谱光视效率（视见函数）曲线
如图1所示，图中实线是亮度大于3cd/m2时的明视觉光谱光视效率，用V(λ)表示，此时视觉主要是由人眼视网膜上分布的椎体细胞的刺激所引起的，其V(λ)的值在555nm处。图中虚线是亮度小于0.001 cd/m2时的暗视觉光谱光视效率，用V＇(λ)表示，此时的视觉主要是由人眼视网膜上分布的杆状细胞刺激引起的，其中V＇(λ)的值在507nm处。
因此在此测量光强和光通量时，必须采用光谱响应曲线与人眼函数一样的探测器。这种纯粹的探测器是不存在的，实际应用中一般是采用硅探测器和人眼函数修正玻璃相结合，可以得到和人呀函数相类似的光谱响应曲线。
2. 光强与光通量
由于人眼对等能量的不用波长的课件光辐射能所产生的光感觉是不同的，因此按人眼函数V(λ)来评价的辐射通量φ(λ)即为光通量φ，即： 

式中，为明视觉的光谱光视效率函数，亦称为光功当量，它表示人眼对波长为555nm处光辐射产生光感觉的效能。按国家实用温标IPTS-168的理论计算，其值为680lm/W。
光度学中最基本的单位是发光强度，单位为坎德拉（cd），他是国际单位制中7个基本单位之一。其定义为555nm的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683W·sr时，在该方向上的发光强度为1cd。
光通量的单位为流明（lm），它是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角（1sr）内发出的光通量。
如果光源为点光源，并且是均匀发光体，那么光强（I）与光通量（φ）符合距离反比平方定律。距离平方反比定律来自于点光源向空间发射球面波的特性。点光源在传播方向某点辐照度和该点打点光源的距离平方成反比。
在任一锥立体角内，假设在传输路径上没有光能损失或分束，那么点光源向空间发出的辐射通量是不变的。然而位于球心的均匀点光源所张开的立体角所截表面积却和球半径的平方成正比，这样在球面上的辐照度就喝点光源到该面的距离平方成正比，即：
 
 
图2 CIE-A                             图3 CIE-B
3.  CIE标准
近30年来，LED发光二极管的技术经历了飞速发展。LED以其固有的高效率、长寿命、低损耗、耐振动、响应速度快等优点得到了广泛的应用，比如指示灯、显示屏、交通信号灯等，目前正在探索把它应用于照明领域。广泛应用对LED光学参数的测量技术和测量标准提出了新的要求。CIE提出了两种平均法向光强的标准测量方法。如图2、图3所示。
4. 积分球
积分球又称为光通球，是一个中空的完整球壳，且球内壁各点反射均匀。光源在球壁上任意一点的光照度与光源光通量成正比，因此可以利用经过校准的光通量计来测量待测灯的光通量，如图4所示。
 
图4 积分球测量光通量示意图
积分球采用研制的F4涂料喷射技术进行喷涂，可以保证积分球在250-2500nm范围内，可以极大的提高积分球的效率，且光学稳定性非常好，其光谱曲线如图5所示，该曲线由中国计量科学研究院测试。
 
图5 积分球光谱曲线图

四、实验内容与步骤

(一)  测量LED光强
用细线将探测器和THQJF-1型光强与光通量测量试验箱上的“LED电源”相连。
1. 调节光源和探测器同轴等高
如图6所示，将探测器和LED光源放置在导轨上，并将两模块靠拢。调节高低、左右，使LED灯和探测器的敏感元件在同一条直线上，并和导轨平行（微调LED光源和探测器的角度，使光强值，此时即可认为同轴等高调节完毕）。
 
图6  LED光强测试架结构图
2. 测量光强
将LED光源放置在刻度“0cm”处，按照表1中的数据改变探测器的位置，并读取相应位置下的光强值，并将数据记录在表1中。
定义：光源滑块的位置为X1=0；探测器滑块的位置为X2；光源与滑块的距离为L= X2- X1-3.5；单位都为（厘米）。
表1  不同位置下，LED的光强的数据

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)  积分球法测光源的光通量
1.  卤素灯的光通量测量
  (1) 如图7所示，用屏蔽线将积分球上的探测器与THQJF-1型光强与光通量测量实验箱的“光信号输入”连接。将“显示切换”置于“光通量”，调节调零旋钮，使数显框显示为零。
 
图7 积分球测量光通量接线图
  (2) 打开积分球，将待测卤素灯安装在积分球中心的灯座上。将积分球上的电源线连接到TH-WY1型直流数显稳压电源的“主路输出”上，然后关闭积分球。打开直流电源，按照表2数据依次增大通过待测卤素灯的电流，并记录下此时对应的电压和光通量的数值，并将数据记录在表2中。
表2 卤素灯的功率与光通量实验数据

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

2.  LED等的光通量测量
(1) 如图7所示，用屏蔽线将积分球上的探测器与THQJF-1型光强与光通量测量实验箱的“光信号输入”连接。将“显示切换”置于“光通量”，调节调零旋钮，使数显框显示为零。
(2) 打开积分球，将待测白色LED等安装在积分球中心的灯座上。注意，安装LED是要注意其极性，灯座上的红色对应LED的正极，即LED的长管脚。将积分球上的电源线来接到TH-WY1型直流数显稳压电源的“副路输出”上，然后关闭积分球。打开直流电源，调节电压输出为3.2V（0.02A），依次更换不同颜色的LED（绿、蓝、红），记录下此时对应的光强和光通量的数值，并将数据记录在表3中。
表3 各色LED灯的光通量测量

LED	白色	绿色	蓝色	红色
电压／Ｖ	3.2V	3.2V	3.2V	3.2V
电流／Ａ	0.02	0.02	0.02	0.02
光通量／lm
光强／cd

五、实验数据

1. 根据表1中的实验数据，绘制L~I·L2的曲线，并分析是否符合平方反比定律。
2. 根据表2中的实验数据，作光通量标准灯的P~φ特性曲线。
3. 根据表2中的实验数据，比较不同颜色LED灯光源的光强和光通量的差别。