LED 特性
如今，LED 被廣泛用於家庭、街道和商業照明，在這些領域中，LED 開始取代更傳統的光源。 儘管LED具有許多優點，但功率、通量（相當於功率，但以流明為單位）和光譜的測量技術與傳統光源的測量技術沒有太大區別。 主要原因是這些光源在各個方向上均勻地發出非相干光。 這些光源產生高度發散的光發射。 使用具有固定孔徑尺寸的感測器精確測量這些光源的功率需要收集光的複雜幾何元件。 MKS 用於表徵 LED 輸出的系統是本節的主題。
積分球
具有有限孔徑的功率感測器（光電二極體之一）無法測量高度發散光源的完整光束。 此外，估計通過孔徑的功率的測量部分並不像具有明確定義的光束尺寸的雷射器那樣直觀。 取而代之的是，光學收集裝置（稱為積分球）可以與靈敏的光電二極體結合使用，以確定高度發散的光源（如LED）的功率。 如圖1所示，積分球的內表面塗有高反射塗層。 當發散光束照射到積分球的內壁時，光被反射和散射數次，直到光照射到球壁上的任何位置具有相同的強度。 因此，放置在球體上的感測器獲得與任何其他位置相同的強度; 感測器檢測到的功率與總入射功率成正比，並且與光束發散度無關。 為了實現這一點，感測器必須放置在只能看到散射光而不是入射光束的位置。 由於積分球將光束均勻地分布在球體上，因此光電二極體可以測量通過其孔徑截面的功率，以通過已知孔徑面積與整個球體面積的比值來確定總光束功率。 積分球還降低了進入光電二極體的功率，因此可以測量更高的輸入光束功率。
圖 1：在積分球內部，來自發散光束的多次漫反射光（左）。 塗覆在積分球內表面的材料的光譜反射率（右）。
圖 2 顯示了 MKS 積分球，該積分球被設計為以多種方式用於許多應用。 結合大量可用的附件，單個球體能夠以合理的精度執行廣泛的積分球任務，例如均勻照明、光測量和反射率測量。 這些球體具有高反射性漫射白色塗層，可提高效率，讀數不受光束大小、位置和發散度的影響。 該球體可以適應紫外、可見光和近紅外光譜區域的光發射，同時處理高達 30 W 的輸入功率。 球體也有不同的尺寸，因為球體尺寸必須與輸入光束孔徑相匹配，以確保均勻散射。 較大直徑的球體可用於發散光束（例如，LED、雷射二極體、光纖輸出）和準直雷射束（見圖 2）。 這是通過設定光學幾何形狀來實現的，這樣輸入光束就不會直接照射到感測器上，感測器只能看到從牆壁反射的光。 為了保持精度，建議每年進行一次積分球感測器校準。 最後，許多熱電堆或光電二極體感測器可以與積分球結合使用，作為 LED 測量的合適選擇。
圖2對於內徑為 1“、15“ 和 53“ Ophir 積分球（從左到右）。 發散光束或準直光束可以配置為更大直徑的積分球，如最右圖所示。
fluxgage™
積分球是測量 LED 光功率、光通量和色度的標準儀器。 但是，積分球尺寸必須至少為被測裝置 （DUT） 尺寸的三倍。 這確保了來自DUT的光在到達感測器之前均勻地散射在球體內，從而實現準確的功率估算。 對於可能接近 2-3 英呎的大型 LED 發光器件或燈元件，需要 6-10 英呎的積分球直徑才能進行適當的表徵。 此外，必須針對每次使用重新校準積分球，同時考慮到 DUT 本身的吸收。 MKS開發了FluxGing測量系統（見圖3），以一種獨特的方式解決了這些問題：檢測表面具有吸收、檢測光的作用。 由於消除了漫反射的需要，表徵裝置可以是被測裝置（例如矩形裝置）的大小，並且只需校準一次。 無論入射角如何，探頭表面都應該能夠有效地檢測光線，並以很少的反射吸收所有光線。 磁通計系統的檢測表面（見圖3）由用於檢測光的太陽能電池板、使太陽能電池板對角度不敏感的薄板擴散器以及散光板上用黑色墨水標記的密集小孔陣列組成。 這種設計確保滿足所有三個要求。
圖3FluxGage 測量系統的底盤（左）和帶有散光和小孔陣列的內部太陽能電池板（右）。
因此，FluxGage 系統是用於 LED 發光器件的緊湊型測量系統。 該系統使用太陽能電池板來測量總通量或功率，這個帶有光譜儀和快速光電二極體的完整系統提供顏色和閃爍（功率輸出振盪）測量。 使用磁通計系統的好處是體積小、結構堅固、生產穩定性好、易於使用和校準頻率低。 對 LED 發光器件的需求不斷增加，要求製造工藝適應改進的質量測試方法，以便在不減慢生產線速度的情況下提供高質量的測量。 使用 FluxGage 系統的價值不僅在於能夠快速進行關鍵測量，還在於能夠將整個發光裝置作為製造過程中效能良好的操作燈進行測試。