MKS技术说明之LED 表征

如今，LED 应用广泛，包括家庭、街道和企业的照明，在这些应用中LED 开始取代更传统的光源。尽管 LED 有不少优点，但是LED 的功率、通量（与功率等效，但是以流明为单位测量）和光谱的测量技术与传统光源 的测量技术没有太大差别。主要原因是这些光源在所有方向上均匀辐射出非相干光。 这些光源产生高度发散的光发射。使用具有固定孔径尺寸的传感器精确测量这些光源的功率，需要复杂的收集光 的几何结构元件。MKS 所使用的表征LED 输出的系统是本节的主题。

▍积分球

具有有限孔径的功率传感器，光电二极管之一，不能测量高度发散光源的完整束。 此外，估算测量的通过孔径的那部分功率，并不像具有明确定义的光束尺寸的激光那样直观。 作为替代，一种被称为积分球的光收集器件，可以与灵敏的光电二极管结合使用，来确定LED 等高度发散光源的功率。如图1 所示，积分球的内表面涂有高反射涂层。当发散光束照射到积分球的内壁时，光被多次反射和散射， 直至照射到球体壁上任何位置的光具有相同的强度。放置在球体上的传感器因此获得与其他任何位置相同的强度； 传感器探测到的功率与总入射功率成正比，与光束发散无关。为了实现这一点，传感器必须放在只能看到散射光 而看不到入射光束的位置。由于积分球将光束均匀地分布在球体中，光电二极管可以测量通过其孔径部分的功率， 通过已知的孔径面积与整个球体面积的比值，来确定总的光束功率。积分球还降低了进入光电二极管的功率，因 此可以测量更高的输入光束功率。

图1: 在积分球内部，来自发散光束的光的多次漫反射（左）。涂于积分球内表面的材料的光谱反射率（右）。

图2 所示为MKS 积分球，经过设计以各种方式用于许多应用。结合大量可用配件，单个球体能够以合理的精度执行各种积分球任务，例如均匀照明、光测量和反射比测量。球体有高反射性的漫反射白色涂层，可提高效率，且读数与光束尺寸、位置和发散度无关。球体可以容纳UV、VIS 和NIR 光谱区域的光发射， 同时处理高达30 W 的输入功率。球体也有不同的尺寸，因为球体尺寸必须与输入光束孔径一致，以确保均匀散 射。直径较大的球体既可以用于发散光束（例如LED、激光二极管、光纤输出），也可用于准直激光光束（参见 图2）。通过设置光学几何结构可以实现这一点，使得输入光束永远不会直接照射传感器并且传感器只能看到从壁反射的光线。为了保持精度，建议每年进行积分球传感器校准。最后，第II.A.3 节中讨论的许多热电堆或光电二极管传感器都可以与积分球结合，作为LED测量的合适选择。

图 2: 用于发散光束，内径分别为1”, 1.5” 和 5.3”的Ophir 积分球（从左到右）。 可以为发散光束或者准直光束配置直径较大的积分球，如最右图所示。

▍FluxGage™

积分球是测量LED光功率、通量和颜色的标准仪器。但是，积分球尺寸必须至少是被测器件（DUT）尺寸的三倍。 这可以确保来自DUT 的光在到达传感器之前在球体内经过充分均匀散射，能够进行准确的功率估计。对于可能接 近2—3 英尺的大型LED 发光设备或灯组件，为了进行适当表征，要求积分球直径达到6—10英尺。此外，考虑到DUT 本身的吸收，每次使用必须重新校准积分球。MKS 开发了FluxGage ™测量系统（见图3），采用独特 的方法来解决这些问题：采用吸收、探测光的探测表面。通过消除对漫反射的需求，表征器件可以是DUT 的尺寸（比如矩形器件），而且仅校准一次。探测表面应该能够有效地探测光，与入射角无关，并且以非常小的反射吸收所有光。 FluxGage 系统的探测表面（见图3）由用于探测光的太阳能电池板，使太阳能板对角度不敏感的片状漫射器， 以及在散光片上用黑色墨水印上的密集阵列小孔制成。这种设计确保三个要求都能满足。

图 3: FluxGage 测量系统底盘（左）以及具有散光片和小孔阵列的内部太阳能板（右）。

因此，FluxGage 系统是用于LED 发光设备的紧凑型测量系统。该系统使用太阳能电池板测量总通量或者功率， 配置光谱仪和快速光电二极管的这个完整系统同时提供颜色和闪变（功率输出振荡）测量。使用FluxGage 系统 的好处是体积小，构造稳固，生产稳定性好，易于使用，以及校准频率低。对LED 发光设备的需求增加，要求制 造流程适应改进的质量测试方法，这些方法可以提供高质量的测量，同时不会减慢生产线的速度。使用FluxGage 系统的价值不仅在于能够快速进行关键测量，而且在于其有能力在制造流程将整个发光设备作为一个性能完善的 可操作的灯进行测试。