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“ LED 辐射强度空间分布及半值角的测量

一、实验目的：

1.了解 LED 发光的空间特性，了解半值角的概念和它的意义； 2.学会用 CIE 标准定量测量平均辐射（发光）强度及半值角。 二、实验原理

LED的能量空间分布，涉及到光度学和辐射度学两方面。 光功率”是表示光源在单位时间内发射的光能量大小，用瓦(W)作为单位。光功率在辐射度学中用“辐射通量”(符号ФE)表示。发光二极管单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量，它通常表示发光器件单位时间内在整个360°空间发射的能量，但有时也规定在一定角度范围内发射的辐射通量。如果辐射通量随波长而改变，发光器件在某个波长发射的辐射通量称为单色辐射通量，可以写为由ФE (λ)，单位为W／nm，辐射通量可以表示为

?E???E(?)d?

(2-1)

辐射通量的概念适用于所有光谱段的光和辐射。在可见光范围内，光源发射的光和辐射将引起人眼的视觉，光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分量称作为光通量(ФV)，单位是流明(1m)。人眼对不同波长的单色光有不同的灵敏度，其中对555nm的单色光最灵敏，在这个波长上，1W辐射通量等于683lm。与辐射通量类似，光通量通常指光源向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量。人眼对不同波长单色光的灵敏度已经由国际照明委员会总结为人眼标准光度观测者光谱光效率函数V(λ)，因此光通量可以写为

780?V?683??E(?)V(?)d? (2-2)

380

这里ФE (λ)是光源发射的绝对光谱能量分布，通常采用相对光谱能量分布函数S（λ）更方便，它们的关系为由ФE (λ)＝k S（λ），k为常数。积分限380—780nm是可见光的光谱范围。因此对于光源而言，它发射的光通量和辐射通量有如下关系：

(2-3)

发光强度定义为：光源在指定方向上的一个很小的立体角元dΩ内所包含的光通量dΦV。发光强度的单位是坎德拉（candela），符号为cd。发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光

源的尺寸和探测器的面积与光源离探测器的距离相比足够小（这种要求被称为远场条件）。辐射强度的定义和要求与发光强度类似。但是在LED 测量的许多实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大或者是LED 与探测器表面构成的立体角太大，在这种近场条件下，并不能很好的保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同，所以严格的说并不能测量得到真正的LED 的发光强度。为了解决这个问题，使测量结果具有可比性，，CIE 推荐使用“平均发光强度”的概念：照射在与LED保持一定距离处的光探测器上的通量Φ与由探测器构成的

V

立体角的比值。其中立体角可将探测器的面积S 除以测量距离d 的平方计算得到，如图所示。因而有如下表达式：

（2-4）

从物理上看，这里的平均发光强度的概念，不再与发光强度的概念关联得那么紧密，而更多的与光通量的测量和测量机构的设计有关。CIE 关于近场条件下的LED测量，有两个推荐的标准条件：CIE 标准条件A 和CIE 标准条件B。这两个条件都要求所用的探测器有一个面积为1cm（相应直径为11.3mm）的圆入射孔径。

2

图2-1 CIE标准发光强度测试原理图

LED 面向探测器放置，并且要保证LED 的机械轴通过探测器的孔径中心。两个条件的主要区别是在于：LED 顶端到探测器的距离，立体角和平面角（全角）的不同，如下表所示：

CIE 推荐 表2-1 CIE平均LED发光强度测试标准条件

LED 顶端到探测 器的距离 d(mm) 316 100 立体角 应用 窄视角 LED 一般 LED 平面角（全角） 2° 6.5° CIE 标准条件 A CIE 标准条件 B 0.001sr 0.01sr 实际应用中，用得较多的是条件B，它适用于大多数低亮度的LED 光源，高亮度且发射角很小的LED 光源可以使用条件A。

半值角有平行于光轴与垂直于光轴之分，即光强是呈空间分布的。本实验只测量平行于光轴的半值角。

对于可见光，其光强测量要求探测器用标准光度观测者光谱光视效率函数校准。这里我们只是测量光功率（辐射功率），指的是发光器件所发出的可见光的总电磁能量（注意不要与光通量混淆）。

能量空间分布特性的一个关键参数是半值角，指等于最大光功率一半的两个位置间的夹角，有平行和垂直于PN结两个方向。通常LED的发散角较大，为使出光能量集中，在其头部用树脂加工成圆形，相当于凸透镜。我们对同种红光LED带圆形树脂头和磨平抛光两种情形的发光功率在水平平面的分布进行了测试。

三、实验步骤

采用标准条件B测量LED。根据实际情况，也可以选择L=316mm，但对于我们所测量的LED，由于L=316mm时光功率计读数很小，我们没有采用。

1. 将待测红光LED接入胶木模块的插孔（注意正负极不要接反，LED长脚接模块的“+”孔），模块另一端的插头插到控制面板“LED/LD驱动”部分的“正向电压”端口。“电压测量”的正负端分别接到电压表的“20V+”和“-”端，电压表量程选择20V。“电流测量”的正负端分别接到电流表的“200mA+”和“-”端，电流表量程选择200mA。将胶木模块固定在转台导轨上。调节LED的位置，保证出光面始终对准转台中心。在L＝100mm处固定二维支架，把探测器装在支架上。探测器信号输

出的红色插头插入控制面板“3”孔，黑色插头插入“2”孔，“4”“5”之间插入500K电阻。然后“LED/LD驱动”开关，“电压调节”旋钮由最小开始旋至IF＝40mA。

2. 缓慢旋转转台，记下转动过程中的最大光功率Imax，记下此时转台的角度。以此角度为基准，逆时针旋转转台，读出该过程中不同位置的功率和对应的角度，特别要记下半最大功率位置的角度α1/2。同理，从基准位置顺时针旋转转台，记录功率和角度的数据，特别是半最大功率的角度α1/2’。

3.更换为头部磨平抛光过的LED，重复上述步骤，此时用2M的反馈电阻。

实验记录

计算机采集信号并经软件运算得到实际光功率，光强可由式（2-4）结合实际采用的CIE标准条件B求得。以最大光功率为中心，记录多组（I，α），特别是半最大光功率对应的α1/2，α1/2’。仿照图2-3由计算机画出LED发光强度的空间分布曲线。

图2-2 两种LED的能量空间分布曲线 （直线对应角度，圆弧对应光强大小）

四、思考题

1.参考光辐射的相关教材，了解辐射度量和光度量之间的关系和区别，熟悉常用光度学物理量的意义。

2.影响LED能量空间分布的因素有哪些，研究LED的能量空间分布有何意义？

实验十二 激光二极管（LD）伏安特性（V－I）的测

量及激光二极管光谱特性测量

激光二极管（LD）伏安特性（V－I）的测量

一、 实验目的

1．了解LD的电学特性，包括正向电流、正向压降； 2．对LD的极限参数有明确的概念，正确、安全的使用LD； 3．通过电学特性的测量，认识LD的发光机理。

二、 实验装置

本实验装置与实验一相同，把转台上的LED换为LD，其它不变。 由于LD的反向电流极小，所以本实验只测量LD的正向V-I特性。 三、 实验步骤

同实验一步骤，分别对650nmLD980nmLD进行测量，注意LD极性不要接错，避免直视LD。

四、 实验记录