光学测量的基本参数与应用介绍

询问几乎所有具有适度模拟和电源专业知识的电气工程师来评估电源的效率，他或她将知道如何操作，或者至少如何开始该过程。你得到一个假负载或（甚至更好）一个有效负载，测量电源的电压和电流，测量电源输出的相同参数，做一些基本的计算，你有初步的答案。如果需要，可以在一系列输入值和负载以及静态和动态情况下运行测试。它可能会有点复杂，但基本的设置和过程就是这样做的。现在请求同一个工程师来测量光源的效率，例如LED或CFL，并且存在很多混乱。为什么？因为测量光学参数带来了一系列全新的问题，其中许多问题要复杂得多，并且除了基本的电气测量之外还要有细微之处。例如，您想要所有波长的光输出功率，只有可见光谱，或选定的波段（如红外线，或可见光内的切片）？你想要所有方向的功率，还是只需要特定的方向和立体角？

光学测量有很长的历史，可以追溯到几百年前。多年来，有些术语和概念没有变化，有些已经更新为基于SI的单位（国际单位制），因此使用新旧术语或旧术语已被正式重新定义时偶尔会出现混淆（什么是“烛光”单位，无论如何？）。

在获得正确的仪器和设置之前，你必须熟悉光度学的基本光学参数和术语（可见光的测量）和比色法（测量） （颜色），所以你可以确定你正在测量你真正需要知道的东西。还要记住电气测量和光学测量之间的关键和基本区别：在大多数情况下（但不是全部，RF是例外），当您测量电功率时，您可以测量电压和电流，然后通过模拟电路或数字电路计算功率处理。但是，当您测量光功率时，您实际上是通过具有输出电压或电流的传感器来测量功率本身，该传感器与入射光功率具有明确的相关性。

关键光学参数

颜色（或色度）：这是一个明显的参数，我们用红色，黄色和绿色等词来描述，但有两种方法可以用技术来描述它。

首先是光的波长，通常以纳米（nm）表示。可见光谱跨越红色（620-750nm）至紫色（380-450nm）;超过红色，红外（IR）范围从700到1，000纳米（1毫米），而紫外线超出紫外线（紫外线，10-400纳米）。请注意，这些范围边界没有明确界定的一致边界，因为光谱是与人类判断 1 混合的颜色的连续体（图1）。近，中，远IR有多种但不同的标准化划分。一个由国际照明委员会（CIE）定义，一个来自国际标准组织（ISO）20473标准，天文学组织和社团指定了一些变化。

图1：可见光只是电磁波谱的一小部分，一侧为红外，另一侧为紫外线;可见光和更宽光谱范围内的分界线不是“硬边界”，而是由不同的组织略有不同。

当然，大多数光源不是严格单色的，而是包括一系列颜色和波长。因此，等效黑体温度是定义不同强度的光波长集合的色度的更好方式。黑体辐射是由保持恒定温度的不透明，非反射体发射的电磁辐射（光是）;因此，辐射具有特定的光谱和强度，仅取决于黑体的温度。

CIE色度图（1931） 2 ，如图2所示，是基于等效的黑体辐射温度，是可以在实验室环境中重建的标准。请注意，大气层以上的阳光为5，900 K，而地面的日光则介于5，500 K和6，000 K之间，具体取决于一天中的时间，云量和其他因素。白炽灯泡介于2，700 K和3，300 K之间，荧光灯泡介于3，500 K和5，000 K之间（所有数字均为近似值;每个灯泡的范围很广）。重要提示：使用黑体辐射，被认为更“蓝”的光在更高，更温暖的温度下，而在更低，更凉爽的温度下会出现更多的微红光;这是一个混乱的来源，因为它与我们正常配对的蓝色一样冷，红色和热一样。

图2：CIE色度图将颜色与波长相关联，也与黑体温度;注意与周围标记的颜色相关的波长，以及图中弧线上标记的黑体温度。

辐射和光通量：辐射通量是发射光总功率的量度（IR ，UV和可见光），而光通量仅是可见光的感知功率的量度。与辐射通量不同，光通量考虑了人眼对不同颜色的不同灵敏度，而辐射通量测量表明所有发射的电磁波的总功率，与眼睛感知它的能力无关。为了测量光通量，一个称为积分球的装置（图3，也见视频 3 ）用于捕获和“均匀”所有方向发出的光;然后通过光功率传感器测量球体表面照度的强度（参见参考视频）。

图3：积分球有多种尺寸，从大约½米直径到几个米;所需的尺寸取决于被评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单位是流明（lm），这是光源的可见光的光通量，在一个球面度的立体角上产生一个坎德拉（cd）的发光强度（回想一下你的实体几何形状：一个完整的球体具有4π球面度的立体角（图4））。坎德拉是在给定方向上发出的单一辐射源的发光强度，其频率为540×10 12 Hz，并且在该方向上的辐射强度为1/683 W/球面度。在所有方向上均匀辐射一个坎德拉的光源具有1 cd×4π球面度≈12.6流明的总光通量。相关参数是勒克斯，等于每平方米一个流明

图4：许多光学参数和光学测量不仅限于二维平面，因此对立体角和几何形状的熟悉和舒适度至关重要。

辐射度是指定的立体角和指定方向通过（或从其发出）的光辐射量。这是一个有用的参数，因为它表明光学系统从某个视角观察表面可以接收多少功率，这可能是离轴的。

效率和功效 ：发光效率是衡量光源（此处为电力）产生多少光输出功率的指标，与波长无关。以每瓦流明计算的发光效率测量光源产生可见光的能力，以及人眼检测发射的辐射的能力。在555 nm处最大可能的效率为683 lm/W，相当于100％的效率。 4

工程师应注意，由于基本的误解，效率和效率经常在讨论中混淆不清或讨论的随意性。因此，重要的是要确保您清楚地了解正在讨论的内容，无论是亲自或通过数据表，以及术语的含义。

示例部分

现在让我们看一些现实世界的例子（所有部件均可从Digi-Key获得）。 Cree XLamp XM-L2单芯片LED在XM封装中提供高流明输出和功效，建立在公司的SC³技术平台上，据称可提供高达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。根据Cree的说法，XM-L2 LED在高驱动电流下提供高效率和高流明输出的有吸引力的组合，在3 A，25°时以116 lm/W的效率提供1，198流明。

XLamp XM-L2 LED是对于需要高光输出和最大功效的照明应用，例如LED灯泡和室外，便携式，室内和太阳能照明，这是一个很好的选择。

平板电脑，超极本甚至智能手机等多功能设备需要很高 - 亮度水平和良好的色彩渲染，而不会过快地耗尽电池。对于这些和其他应用，据说Osram MicroSideled系列在白色和蓝色方面都非常高效，在15，000小时的整个使用寿命期间提供恒定的亮度，并能够承受高温和高电流。

MicroSideled 3806的白色版本实现了150流明/瓦（lm/W）的高效率。蓝色MicroSideled的效率为55％，以外部量子效率（EQE），换句话说，所用电功率与发射光功率的比率来衡量。根据欧司朗的说法，效率比经典的白光LED解决方案高出10％到15％。两种型号都很紧凑，尺寸仅为3.8 x 1.0 x 0.6 mm（长x宽x高），导热性能良好，热阻为66 K/W.

首尔半导体的Z5M1系列经过优化，可提供采用行业标准3535表面贴装封装，具有最大功效和光通量。该器件在350 mA（温度为85°C，最低80 CRI）的温暖白光（3，000 K）下可提供高达132 lm/W的功率。在冷白色（6，000 K）下，Z5M1在350 mA（85°C结温，最低70 CRI）下可提供高达150 lm/W的功率。 Z5M1系列提供2，600至7，000 K的完整相关色温（CCT）和两种CRI选项，可为灯具和灯具制造商提供最大的灵活性。改进的功效有助于照明制造商在其系统设计中使用更少的LED，从而降低系统成本。这些LED可以在很宽的驱动电流范围内工作，使SSL产品开发人员能够在设计中使用的LED数量与效率和额定寿命进行权衡。 Z5M1的工作电压范围为150 mA至1.5 A，适用于从街道和区域照明到替换灯到高输出手电筒等各种通用照明应用。那么，LED的效率是多少？ 》现在回到最初的问题“这个来源有多高效？”答案是，“这取决于”。在你回答这个简单的问题之前，你必须澄清答案：“以什么方式有效？”这意味着您可以考虑诸如感兴趣的光源光谱（所有，仅可见，或可见/不可见光谱的某些定义切片），辐射方向（在整个球体上，或仅沿一个轴）等因素，以及只是在一个方向上，沿着辐射轴如何广角实心圆锥（注意“圆锥”甚至不必是圆形的，它可能是椭圆形的）。产生宽光谱和宽立体角光的光源可能不如光谱和立体角辐射窄的光源有用，尽管它在基本功率意义上可能更有效。只是光学测量的一些顶级参数;其他因素包括分散和损失等因素。由于测量其中一些参数的非直观性，细微之处和实际操作困难，使用光学元件和子系统的工程师需要做好充分的前期研究准备，并与知识渊博的测试设备和应用供应商合作专家，进行有意义，准确的测量。