光學(xué)測(cè)量的基本參數(shù)與應(yīng)用介紹

詢問幾乎所有具有適度模擬和電源專業(yè)知識(shí)的電氣工程師來評(píng)估電源的效率，他或她將知道如何操作，或者至少如何開始該過程。你得到一個(gè)假負(fù)載或（甚至更好）一個(gè)有效負(fù)載，測(cè)量電源的電壓和電流，測(cè)量電源輸出的相同參數(shù)，做一些基本的計(jì)算，你有初步的答案。如果需要，可以在一系列輸入值和負(fù)載以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下運(yùn)行測(cè)試。它可能會(huì)有點(diǎn)復(fù)雜，但基本的設(shè)置和過程就是這樣做的。現(xiàn)在請(qǐng)求同一個(gè)工程師來測(cè)量光源的效率，例如LED或CFL，并且存在很多混亂。為什么？因?yàn)闇y(cè)量光學(xué)參數(shù)帶來了一系列全新的問題，其中許多問題要復(fù)雜得多，并且除了基本的電氣測(cè)量之外還要有細(xì)微之處。例如，您想要所有波長(zhǎng)的光輸出功率，只有可見光譜，或選定的波段（如紅外線，或可見光內(nèi)的切片）？你想要所有方向的功率，還是只需要特定的方向和立體角？

光學(xué)測(cè)量有很長(zhǎng)的歷史，可以追溯到幾百年前。多年來，有些術(shù)語和概念沒有變化，有些已經(jīng)更新為基于SI的單位（國(guó)際單位制），因此使用新舊術(shù)語或舊術(shù)語已被正式重新定義時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)混淆（什么是“燭光”單位，無論如何？）。

在獲得正確的儀器和設(shè)置之前，你必須熟悉光度學(xué)的基本光學(xué)參數(shù)和術(shù)語（可見光的測(cè)量）和比色法（測(cè)量） （顏色），所以你可以確定你正在測(cè)量你真正需要知道的東西。還要記住電氣測(cè)量和光學(xué)測(cè)量之間的關(guān)鍵和基本區(qū)別：在大多數(shù)情況下（但不是全部，RF是例外），當(dāng)您測(cè)量電功率時(shí)，您可以測(cè)量電壓和電流，然后通過模擬電路或數(shù)字電路計(jì)算功率處理。但是，當(dāng)您測(cè)量光功率時(shí)，您實(shí)際上是通過具有輸出電壓或電流的傳感器來測(cè)量功率本身，該傳感器與入射光功率具有明確的相關(guān)性。

關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)

顏色（或色度）：這是一個(gè)明顯的參數(shù)，我們用紅色，黃色和綠色等詞來描述，但有兩種方法可以用技術(shù)來描述它。

首先是光的波長(zhǎng)，通常以納米（nm）表示。可見光譜跨越紅色（620-750nm）至紫色（380-450nm）;超過紅色，紅外（IR）范圍從700到1，000納米（1毫米），而紫外線超出紫外線（紫外線，10-400納米）。請(qǐng)注意，這些范圍邊界沒有明確界定的一致邊界，因?yàn)楣庾V是與人類判斷 1 混合的顏色的連續(xù)體（圖1）。近，中，遠(yuǎn)IR有多種但不同的標(biāo)準(zhǔn)化劃分。一個(gè)由國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）定義，一個(gè)來自國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）20473標(biāo)準(zhǔn)，天文學(xué)組織和社團(tuán)指定了一些變化。

圖1：可見光只是電磁波譜的一小部分，一側(cè)為紅外，另一側(cè)為紫外線;可見光和更寬光譜范圍內(nèi)的分界線不是“硬邊界”，而是由不同的組織略有不同。

當(dāng)然，大多數(shù)光源不是嚴(yán)格單色的，而是包括一系列顏色和波長(zhǎng)。因此，等效黑體溫度是定義不同強(qiáng)度的光波長(zhǎng)集合的色度的更好方式。黑體輻射是由保持恒定溫度的不透明，非反射體發(fā)射的電磁輻射（光是）;因此，輻射具有特定的光譜和強(qiáng)度，僅取決于黑體的溫度。

CIE色度圖（1931） 2 ，如圖2所示，是基于等效的黑體輻射溫度，是可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中重建的標(biāo)準(zhǔn)。請(qǐng)注意，大氣層以上的陽光為5，900 K，而地面的日光則介于5，500 K和6，000 K之間，具體取決于一天中的時(shí)間，云量和其他因素。白熾燈泡介于2，700 K和3，300 K之間，熒光燈泡介于3，500 K和5，000 K之間（所有數(shù)字均為近似值;每個(gè)燈泡的范圍很廣）。重要提示：使用黑體輻射，被認(rèn)為更“藍(lán)”的光在更高，更溫暖的溫度下，而在更低，更涼爽的溫度下會(huì)出現(xiàn)更多的微紅光;這是一個(gè)混亂的來源，因?yàn)樗c我們正常配對(duì)的藍(lán)色一樣冷，紅色和熱一樣。

圖2：CIE色度圖將顏色與波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)，也與黑體溫度;注意與周圍標(biāo)記的顏色相關(guān)的波長(zhǎng)，以及圖中弧線上標(biāo)記的黑體溫度。

輻射和光通量：輻射通量是發(fā)射光總功率的量度（IR ，UV和可見光），而光通量?jī)H是可見光的感知功率的量度。與輻射通量不同，光通量考慮了人眼對(duì)不同顏色的不同靈敏度，而輻射通量測(cè)量表明所有發(fā)射的電磁波的總功率，與眼睛感知它的能力無關(guān)。為了測(cè)量光通量，一個(gè)稱為積分球的裝置（圖3，也見視頻 3 ）用于捕獲和“均勻”所有方向發(fā)出的光;然后通過光功率傳感器測(cè)量球體表面照度的強(qiáng)度（參見參考視頻）。

圖3：積分球有多種尺寸，從大約?米直徑到幾個(gè)米;所需的尺寸取決于被評(píng)估的光源的大小和功率。

流明，勒克斯和坎德拉：光通量的基本SI單位是流明（lm），這是光源的可見光的光通量，在一個(gè)球面度的立體角上產(chǎn)生一個(gè)坎德拉（cd）的發(fā)光強(qiáng)度（回想一下你的實(shí)體幾何形狀：一個(gè)完整的球體具有4π球面度的立體角（圖4））?？驳吕窃诮o定方向上發(fā)出的單一輻射源的發(fā)光強(qiáng)度，其頻率為540×10 12 Hz，并且在該方向上的輻射強(qiáng)度為1/683 W/球面度。在所有方向上均勻輻射一個(gè)坎德拉的光源具有1 cd×4π球面度≈12.6流明的總光通量。相關(guān)參數(shù)是勒克斯，等于每平方米一個(gè)流明

圖4：許多光學(xué)參數(shù)和光學(xué)測(cè)量不僅限于二維平面，因此對(duì)立體角和幾何形狀的熟悉和舒適度至關(guān)重要。

輻射度是指定的立體角和指定方向通過（或從其發(fā)出）的光輻射量。這是一個(gè)有用的參數(shù)，因?yàn)樗砻鞴鈱W(xué)系統(tǒng)從某個(gè)視角觀察表面可以接收多少功率，這可能是離軸的。

效率和功效 ：發(fā)光效率是衡量光源（此處為電力）產(chǎn)生多少光輸出功率的指標(biāo)，與波長(zhǎng)無關(guān)。以每瓦流明計(jì)算的發(fā)光效率測(cè)量光源產(chǎn)生可見光的能力，以及人眼檢測(cè)發(fā)射的輻射的能力。在555 nm處最大可能的效率為683 lm/W，相當(dāng)于100％的效率。 4

工程師應(yīng)注意，由于基本的誤解，效率和效率經(jīng)常在討論中混淆不清或討論的隨意性。因此，重要的是要確保您清楚地了解正在討論的內(nèi)容，無論是親自或通過數(shù)據(jù)表，以及術(shù)語的含義。

示例部分

現(xiàn)在讓我們看一些現(xiàn)實(shí)世界的例子（所有部件均可從Digi-Key獲得）。 Cree XLamp XM-L2單芯片LED在XM封裝中提供高流明輸出和功效，建立在公司的SC3技術(shù)平臺(tái)上，據(jù)稱可提供高達(dá)20％的流明和每瓦流明，并且流明增加一倍原始XM-L的1美元。根據(jù)Cree的說法，XM-L2 LED在高驅(qū)動(dòng)電流下提供高效率和高流明輸出的有吸引力的組合，在3 A，25°時(shí)以116 lm/W的效率提供1，198流明。

XLamp XM-L2 LED是對(duì)于需要高光輸出和最大功效的照明應(yīng)用，例如LED燈泡和室外，便攜式，室內(nèi)和太陽能照明，這是一個(gè)很好的選擇。

平板電腦，超極本甚至智能手機(jī)等多功能設(shè)備需要很高 - 亮度水平和良好的色彩渲染，而不會(huì)過快地耗盡電池。對(duì)于這些和其他應(yīng)用，據(jù)說Osram MicroSideled系列在白色和藍(lán)色方面都非常高效，在15，000小時(shí)的整個(gè)使用壽命期間提供恒定的亮度，并能夠承受高溫和高電流。

MicroSideled 3806的白色版本實(shí)現(xiàn)了150流明/瓦（lm/W）的高效率。藍(lán)色MicroSideled的效率為55％，以外部量子效率（EQE），換句話說，所用電功率與發(fā)射光功率的比率來衡量。根據(jù)歐司朗的說法，效率比經(jīng)典的白光LED解決方案高出10％到15％。兩種型號(hào)都很緊湊，尺寸僅為3.8 x 1.0 x 0.6 mm（長(zhǎng)x寬x高），導(dǎo)熱性能良好，熱阻為66 K/W.

首爾半導(dǎo)體的Z5M1系列經(jīng)過優(yōu)化，可提供采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3535表面貼裝封裝，具有最大功效和光通量。該器件在350 mA（溫度為85°C，最低80 CRI）的溫暖白光（3，000 K）下可提供高達(dá)132 lm/W的功率。在冷白色（6，000 K）下，Z5M1在350 mA（85°C結(jié)溫，最低70 CRI）下可提供高達(dá)150 lm/W的功率。 Z5M1系列提供2，600至7，000 K的完整相關(guān)色溫（CCT）和兩種CRI選項(xiàng)，可為燈具和燈具制造商提供最大的靈活性。改進(jìn)的功效有助于照明制造商在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用更少的LED，從而降低系統(tǒng)成本。這些LED可以在很寬的驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)工作，使SSL產(chǎn)品開發(fā)人員能夠在設(shè)計(jì)中使用的LED數(shù)量與效率和額定壽命進(jìn)行權(quán)衡。 Z5M1的工作電壓范圍為150 mA至1.5 A，適用于從街道和區(qū)域照明到替換燈到高輸出手電筒等各種通用照明應(yīng)用。那么，LED的效率是多少？ 》現(xiàn)在回到最初的問題“這個(gè)來源有多高效？”答案是，“這取決于”。在你回答這個(gè)簡(jiǎn)單的問題之前，你必須澄清答案：“以什么方式有效？”這意味著您可以考慮諸如感興趣的光源光譜（所有，僅可見，或可見/不可見光譜的某些定義切片），輻射方向（在整個(gè)球體上，或僅沿一個(gè)軸）等因素，以及只是在一個(gè)方向上，沿著輻射軸如何廣角實(shí)心圓錐（注意“圓錐”甚至不必是圓形的，它可能是橢圓形的）。產(chǎn)生寬光譜和寬立體角光的光源可能不如光譜和立體角輻射窄的光源有用，盡管它在基本功率意義上可能更有效。只是光學(xué)測(cè)量的一些頂級(jí)參數(shù);其他因素包括分散和損失等因素。由于測(cè)量其中一些參數(shù)的非直觀性，細(xì)微之處和實(shí)際操作困難，使用光學(xué)元件和子系統(tǒng)的工程師需要做好充分的前期研究準(zhǔn)備，并與知識(shí)淵博的測(cè)試設(shè)備和應(yīng)用供應(yīng)商合作專家，進(jìn)行有意義，準(zhǔn)確的測(cè)量。