LED光源有哪些光学参数？LED光源的光通量怎么测量？

LED光源有哪些光学参数？描述LED光源的光学参数有很多，其中主要的有光通量、发光强度、发光效率、光照度和光亮度，其中光强、亮度和照度都是表示光能光通量的光学参数。那么，LED光源的光通量怎么测量？本文对LED光源的光学参数及测量计算方法做了介绍。

LED光源的光学参数：

1.光通量

光通量Φv是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。Φv为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED光通量随之增大。LED的光通量单位为流明（lm）。光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流大小有关。

2.发光强度

LED光源在给定方向的单位立体角内发射的光通量定义为光源在该方向的发光强度（简称光强）Iv，光强的单位是cd（坎德拉），表示为Iv=dΦv/dΩ。它是表征发光器件发光强弱的重要性能。

LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分布是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。

3.发光效率

发光效率是光通量与电功率之比，单位为lm/W，简称光效。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要标志。LED的光效与芯片的内外量子效率、光提取效率和光谱分布等因素有关。对照明光源来说，总是希望光效要高，这样可以在相同的功耗下得到更多的光通量，可以节省大量的电能。

4.光照度

光照度是物体表面被照明程度。或物体单位表面上所得到的光通量。即E=Φ/s。通常当光源大小比其到被照射面的距离r小很多时，被照面的照度E和该面与光源间的距离平方成反比，即服从下列定律：E=Icosα/r2。式中I为发光强度，α为被照面的法线与其中心到光源连线间的夹角。在国际单位制中，照度单位为勒克斯，简称勒，符号为lx。

5.光亮度

光亮度表示每单位面积上的发光强度，即Lv=dIv/dS。亮度的单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。上式中的面积，应理解为一个面在观察方向上的正投影面积。因此，若观察方向与该面的法线夹角为θ时，上式将变为：Lv=dIv/dScosθ。

所以，光源的光亮度可定义为：在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度，除以该面元在垂至于给定方向的平面上的正投影面积。

由于Iv=dΦv/dΩ，故有Lv=d2Φv/dΩdScosθ，这个公式是光亮度的较通用的定义式。由该式可知，亮度不仅可用来描述一个发光面，而且还可以用来描述光路中的任意一个截面，如一个透镜的有效面积、一个光阑所截的面积或一个象的面积等。此外，还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面和这束光的立体角。

LED光源的光通量的测量计算方法：

LED的光通量指它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。但要考虑人眼对不同波长的可见光的明亮感觉是不同的，国际照明委员会（CIE）为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结，在明视觉条件（亮度为3cd/m²以上）下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数V（λ），它在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm。明视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为：

其中ΦE（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Φ（λ）=kS（λ），k为常数。要准确测量LED的光通量必须要把所有发射的光辐射能量收集起来，然后用经过校正的标准光探测器把它们线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。

光通量的测量主要有计算法和积分球法。计算法得到的结果准确度高，但是比较繁琐，积分球法非常简单，测量迅速，精度满足一般的要求，是目前测量光源光通量普遍采用的方法。积分球是一个球形的空腔，由两个内壁涂有均匀的白色漫反射层（硫酸钡或氧化镁）的半球壳组合而成，被测LED置于空腔内。LED器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，使整个球壁上的照度均匀分布，通过一置于球壁上的探测器来测量这个与光通量成比例的光照度，进而求出整体的光通量。球中有一挡屏，它是为了避免LED光直射到探测器。球和探测器组成的系统在测量前要进行校准，可通过光通量标准灯来实现，同时还要关注探测器与光谱光效率曲线V（λ）的匹配程度，使之比较符合人眼的观测效果。

对于大功率LED光通量的测量，我们可选用直径500mm的积分球来测试，探测器选用如上述组装并经过校准、符合一级V（λ）修正（即与标准V（λ）的匹配误差小于5%）的光度探头。获得的光通量测试信号进入测试主机，经过系统软件处理，从而得到测试LED的光通量。测试软件可实验室成员编程得到。

LED光通量的计算方法包括通过光强和照度等来计算，其中通过光强计算的光通量准确度高。它是将LED照亮的“球空间”分割成n条球带，分别计算出每条球带上的光通量再求和，如上图所示。m表示在垂直光轴方向的球带等分数，n表示光轴方向球带等分数，一般情况下取m=n=72；δ=δmid，表示某一水平环带中点所对应的和光轴方向的夹角。则LED的光通量如下：

式中 Cz（δ）=（4π2/mn）cos（δ）——带状常数；

Iv（θ，δ）——和 LED光轴夹角为θ、和光轴垂直方向的夹角为δ的不等于零的点的发光强度。

测得发光二极管的光通量后，就可以进一步经计算获得LED器件的发光效率，其计算关系式定义为：

式中IF，VF分别是发光二极管的正向电流和正向电压。