激光二极管的辐射强度空间分布及半值角的测量
发光强度及半值角课件
02
案例二
某汽车制造商为了提高夜间行驶的安全性，对前照灯的配光设计进行了
优化，通过调整半值角的大小，使灯光更加聚焦且射程更远。
03
案例三
某液晶显示屏厂商为了提高产品的显示质量和用户体验，对背光模组的
半值角进行了精确控制，确保屏幕亮度和可视角度达到最佳状态。
CHAPTER 04
发光强度及半值角的测量仪 器
关系描述
发光强度
表示光源在特定方向上的 发光强度，单位为坎德拉 （cd）。
半值角
表示发光强度值为最大值 一半的方向角，单位为度 。
关系
发光强度与半值角之间存 在一定的关系，通常随着 半值角的增大，发光强度 逐渐减小。
应用场景
照明设计
在室内和室外照明设计中，需要 根据不同的照明需求选择合适的 光源和配光方式，以达到理想的
测量仪器介绍
发光强度计
用于测量发光物体的发光强度， 通常采用光电倍增管作为探测器 ，能够测量微弱的发光。
半值角计
用于测量发光体的半值角，通过 测量发光体在各个方向上的发光 强度分布，计算出半值角。
测量仪器的工作原理
发光强度计
基于光电效应原理，当光照射在光电 倍增管上时，会产生电信号，通过测 量电信号的大小，可以推算出发光强 度。
影响因素
01
02
03
04
光源类型
不同类型的光源具有不同的发 光效率，因此发光强度也不同
。
温度
光源的温度越高，其发光强度 通常也越高。
光谱分布
光源的光谱分布不同，其发光 强度也不同。
发射方向
光源的发射方向也会影响其发 光强度，因为不同方向上的单
位面积不同。
ห้องสมุดไป่ตู้ CHAPTER 02
L E D辐射强度的测量
其测量公式为 （Ｓ ）Ｆ Ｖ／ ＡＮ ＝Ｖ · Ｒ 式中：Ａ 一腔体吸收率；
Ｓ 一杂散 光 ；
（） ３
Ｎ 一光电加热不等效修正因子；
４０ ７ ５５ ２ ５０ ６０ ９ ３ （ ｍ） ｎ
图 ４ 三原 色 的 白光 Ｌ Ｄ光谱 图 Ｅ
要求的话 ，必须写成 Ａ （ ｈｎ ） ／ Ｗ· ｍ ，△是此响应度对应
图 ２ 硅光 电二极管的光谱响应曲线
１２ 计算公式
（ ） 对单色光 Ｌ Ｄ １ Ｅ
Ｒ
＝
下的波长 间隔，一般依精度要求，设成 ５ ０ ０绝少 ，１ ，２，
３ ０
中 国 照 明 电 器
２０ ０ ５年 第 ｌ １期
１；
（ ） 对 白光 Ｌ Ｄ ２ Ｅ
Ｒ Ｓ） · · 函 ｆ Ｐ ］
式中：ｓ（ ）一光探测器对应波长下的光谱响应 入
（
Ｗ Ａｎ ｍ
） ；
图 ５ 电校 准辐 射 计 的结构 示 意 图
１ 一上盖 ； ２ 一外光敏 罩； ３ 一外套筒 ； ４ 一聚 四氟乙烯套 ； ５ 一底座 ； ６ 一塑料隔板 ７ 一底盖 ； ８ 一限制光 阑； ９ 一金属外壳 ； １一圆锥腔体 ； １一加热 丝； １一热 电堆 ； ０ １ ２ １一铝架 ； １ 一黄铜热 沉座。 ３ ４
３ 计量 知识手册．北京 ：中国林业 出版社，１ ８ ９６
（ 本文编辑 王 东明 ）
宽为 ２ ９ ｍ ．ｒ 。 ｉ
红外光 ＬＤ的用途如 电器的摇控器、 自 门和水阀 Ｅ 动 门的感应头，某些激光 的光泵浦，以及短距离的光通讯等 等 。红外光 ＬＤ常见的峰值波长有 ９ ０ ８ Ｅ ４ ，８０和 ８ Ｏｍ ５ｈ， 正向驱动电流一般为 ３ 和 ｌＯＡ ０ Ｏｍ ，所用材料为 ＧＡ Ａ 和 ａ Ｉｓ
激光二极管的辐射强度空间分布及半值角的测量
实验原理
发光强度：光源在指定方向上的一个很小的立 体角元内所包含的光通量。单位为坎德拉 （candela）。要求光源尺寸和探测器的面积 与光源离探测器的距离相比足够小，实际测量 中达不到这个要求。 使用“平均发光强度”：照射在与LD保持一定 距离处的光探测器上的通量与由探测器构成得 分立体角的比值。
I
V
V
S / d2
实验原理
CIE标准发光强度测试原理图
实验原理
半值角：最大光功率一半的两个位置间的 夹角，由平行和垂直于光轴之分。本实验 测量平行于光轴的半值角。 光功率（辐射功率）：发光器件所发出可 见光得分总电磁通量。
实验步骤
将待测LD（650 nm）介入胶木模块的插孔，模块另一端的插头插到 控制面板“LED\LD驱动”的“正向电压”端口。“电压测量” 。 “电压测量”的正负端分别接到电压表的“20V+”和“-”端，电压表 量程选择20V。“电流测量”的正负端分别接到电流表的“200mA+” 和“-”端，电流表量程选择200mA。将胶木模块固定在转台导轨上。 调节LD的位置，保证出光面始终对准转台中心。在L＝100mm处固定 二维支架，把探测器装在支架上。探测器信号输出的红色插头插入控 制面板“3”孔，黑色插头插入“2”孔，“4”“5”之间插入300K电阻。然 后“LED/LD驱动”开关，“电压调节”旋钮由最小开始旋至IF＝ 40mA。 缓慢旋转转台，记下转动过程中的最大光功率Imax，记下此时转台的 角度。以此角度为基准，逆时针旋转转台，读出该过程中不同位置的 功率和对应的角度，特别要记下半最大功率位置的角度α1/2。同理， 从基准位置顺时针旋转转台，记录功率和角度的数据，特别是半最大 功率的角度α1/2‘ 更换为980 nm的LD，重复上述步骤，此时用100k的反馈电阻。
LED辐射强度空间分布及半值角的测量
780
V 683 E l V l dl
380
3
发光强度：光源在指定方向上的一个很小的立体角元dΩ内 所 包 含 的 光 通 量 dΦV 。 发 光 强 度 的 单 位 是 坎 德 拉 （candela），符号为cd。 发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光源的 尺寸和探测器的面积与光源离探测器的距离相比足够小 （这种要求被称为远场条件）。 平均发光强度：照射在与LED保持一定距离处的光探测器 上的通量ΦV与由探测器构成的立体角的比值。其中立体角 可将探测器的面积S除以测量距离d的平方计算得到：
E E l dl
2
辐射通量的概念适用于所有光谱段的光和辐射。在可见光 范围内，光源发射的光和辐射将引起人眼的视觉。
光通量：光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分 量称作为 (ФV)，单位是流明(lm)。
人眼对不同波长的单色光有不同的灵敏度，其中对555nm 的单色光最灵敏，在这个波长上，1W辐射通量等于683lm。 与辐射通量类似，光通量通常指光源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。
LED辐射强度空间分布 及半值角的测量
一、实验目的 1. 了解LED发光的空间特性，了解半
值角的概念和它的意义； 2. 学会用CIE标准定量测量平均辐射
（发光）强度及半值角。
1
二、实验原理
LED的能量空间分布，涉及到光度学和辐射度学两方面。 光功率：表示光源在单位时间内发射的光能量大小，用瓦 (W)作为单位。 辐射通量：发光二极管单位时间内发射的总电磁能量称为 辐射通量，它通常表示发光器件单位时间内在整个360o空 间发射的能量，但有时也规定在一定角度范围内发射的辐 射通量。 如果辐射通量随波长而改变，发光器件在某个波长发射的 辐 射 通 量 称 为 单 色 辐 射 通 量 ， 可 以 写 为 由 ФE(l) ， 单 位 为 W/nm，辐射通量可以表示为
LDLED光谱特性研究及发散角光强分布测量
LD/LED光谱特性研究及发散角光强分布测量一、实验目的掌握光谱的基本概念及光谱仪工作的基本原理。
观察LD/LED光谱特性，LD/研究LED发散角光强分布规律。
二、实验内容1、LD/LED光谱特性测量2、LD/LED发散角光强分布规律测量三、实验原理1、光谱仪介绍光谱仪是研究、测定光辐射的频率、强度特性及其变化规律的光学仪器。
它应用光的色散原理、散射原理或光学调制原理，将不同频率的光辐射按照一定的规律分解开，形成光谱，配合一系列光学、精密机械、电子、计算机系统，实现精密测定和研究的目的。
当一束复合光线进入光谱仪的入射狭缝，首先由光学准直镜准直成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。
利用不同波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像于出射狭缝。
通过电脑控制可精确地测量出射波长。
2、LED介绍Light Emitting Diode（发光二极管）是一种半导体固体发光器件它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。
这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。
比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED 单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。
而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。
五、注意事项1、不要用肉眼直视激光器输出光，防止造成伤害。
实验讲义-功能材料专业资料
功能材料专业实验大连民族大学物理与材料工程学院光电子实验中心目录第一章导电类型鉴别仪实验一材料导电类型鉴别实验第二章温度传感器测试及半导体制冷控温实验仪实验二电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试第三章半导体热电特性综合实验仪实验三电阻温度计与非平衡直流电桥实验四半导体热电特性的研究第四章PN结正向特性综合实验仪实验五PN结正向压降与温度关系第五章传感器设计实验仪实验六应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验应变直流全桥的应用—电子秤实验应变片交流全桥的应用(应变仪)—振动测量实验实验七压阻式压力传感器的压力测量实验电容式传感器的位移实验实验八差动变压器的性能实验差动变压器零点残余电压补偿实验差动变压器的应用—振动测量实验实验九压电式传感器测振动实验线性霍尔式传感器位移特性实验磁电式传感器特性实验实验十热电偶的原理及现象实验第六章光电特性综合实验仪实验十一LED伏安特性（V-I）测试LED辐射强度空间分布及半值角的测量实验十二激光二极管（LD）伏安特性（V－I）的测量激光二极管光谱特性测量第一章导电类型鉴别仪一、概述PN-12型导电型号鉴别仪采用整流法(也称三探针法)和温差法(也称冷热探笔法来判断单晶(或多晶)硅的导电类型(N型或P型)，用N型和P型显示屏直接显示单晶(或多晶)导电类型。
二、技术性能1.可判断硅材料的电阻率范围：整流法：10-2Ω·Cm～104Ω·Cm；温差法：10-4Ω·Cm～105Ω·Cm；2.硅单晶直径及长度：不受限制；3.显示方式：用N型和P型显示屏直接显示；4.探头：整流法：采用三根探针，用高速钢针；温差法：采用冷热两根探笔，探笔材料为钨棒，热笔采用PTC发热体加热； (冷笔保持室温，热笔可被加热到60℃-150℃，温控仪设定)5.电源及功耗：AC 220V±10%，50Hz <20W6.外型尺寸：125mm(宽)×145mm(高) ×245mm(深)7.使用环境：温度：室温；相对湿度：<80%；无强高频电磁场影响。
发光二极管的主要参数及测量方法
发光二极管参数的测量一发光二极管的结构和基本原理1 发光二极管的结构发光二极管（light emission diode LED）图1显示了LED的结构截面图。
要使LED 发光，有源层的半导体材料必须是直接带隙材料，越过带隙的电子和空穴能够直接复合发射2 LED的基本工作原理LED 是一种直接注入电流的发光器件，是半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时，发射出光子的结果，这就是通常所说的自发发射跃迁。
当LED的PN结加上正向偏压，注入的少数载流子和多数载流子（电子和空穴）复合而发光。
值得注意的是，对于大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列角频率为ν＝E g/h的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播，这个过程称为自发发射。
其发射波长可用下式来表示：λ(μm)＝E g(eV)二发光二极管的特性及测试方法1 LED的光谱特性及测试方法由于LED没有光学谐振腔选择波长，所以它的光谱是以自发发射为主的光谱，图2显示出了LED的典型光谱曲线。
发光光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差称为谱线宽度（简称线宽），其典型值在30－40nm之间。
峰值波长和谱线宽度的测试方法如图3所示，当被测器件的正向工作电流达到规定值时，旋转单色仪波鼓，使指示器达到最大值，读出波长峰值，此即为该器件的发光峰值波长。
在旋转单色仪波鼓（朝相反方向各转一次），使指示器读数为最大值的一半时，读出两个等于最大值一半的数值，两者之差即为光谱谱线宽度。
波长图2 LED的光谱曲线图3 LED的峰值波长和线宽测试方框图由图2可以看出，当器件温度升高时，光谱曲线随之向右移动，从峰值波长的变化可以求出LED的波长温度系数。
2 LED 的伏安特性及测试方式LED 通常都具有图4所示的较好的伏安特性。
当LED 管芯通过正向电流为规定的值时，正、负极之间产生的电压降，即为正向压降（以V F 表示，单位为V ），由于正向电阻比较小，故V F 一般都较低，图5示出了V F 的测试原理图3 LED 的电光转换特性及测试方法电光转换特性是LED 的光输出功率与注入电流的关系曲线，即P －I 曲线，因为是自发辐射光，所以P －I 曲线的线性范围比较大如图6所示。
激光二极管参数与原理及应用
激光二极管参数与原理及应用激光二极管参数与原理及应用一、激光的产生机理在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。
在光辐射中存在三种辐射过程，一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射；二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射；三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。
自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。
在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。
任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。
而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。
产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。
产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。
为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。
实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。
要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。
只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件:P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1（P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A 是介质的损耗系数，exp为常数），才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф =2qπ q=1、2、3、4。
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? 更换为980 nm的LD，重复上述步骤，此时用100k的反馈电阻。
? 光功率（辐射功率）：发光器件所发出可 见光得分总电磁通量。
实验步骤
? 将待测LD（650 nm）介入胶木模块的插孔，模块另一端的插头插到 控制面板“LED\LD驱动”的“正向电压”端口。“电压测量” 。 “电压测量”的正负端分别接到电压表的“20V+”和“-”端，电压表 量程选择20V。“电流测量”的正负端分别接到电流表的“200mA+” 和“-”端，电流表量程选择200mA。将胶木模块固定在转台导轨上。 调节LD的位置，保证出光面始终对准转台中心。在L＝100mm处固定 二维支架，把探测器装在支架上。探测器信号输出的红色插头插入控 制面板“3”孔，黑色插头插入“2”孔，“4”“之5间”插入300K电阻。然 后40“mALE。D/LD驱动”开关，“电压调节”旋钮由最小开始旋至IF＝
实验原理
? 激光二极管发射的光具有非常好的单色性 和方向性，相对来说，F-P型LD特性不是最 佳，有利于实验测量。
? 利用“LED辐射强度空间分布及半值角测量” 的装置进行实验，L取100 mm。
? 对光源来说，它发射的光通量和辐射通量 关系为
实验原理
? 发光强度：光源在指定方向上的一个很小的立 体角元内所包含的光通量。单位为坎德拉 （candela ）。要求光源尺寸和探测器的面积
实验记录
? 计算机采集信号并经软件运算得到实际光功率， 以最大光功率为中心，记录多组（ I，α），特别 是半最大光功率对应的 α1/2，α1/2'。由计算机画 出LD发光强度的空间分布曲线。
实验记录
思考题
? 与LED的测量数据相比，发现LD在方向性 上有什么不同？解释物理机理。
与光源离探测器的距离相比足够小，实际测量 中达不到这个要求。
? 使用“平均发光强度”：照射在与 LD保持一定 距离处的光探测器上的通量与由探测器构成得 分立体角的比值。
I
?
?V
?
?ห้องสมุดไป่ตู้
?V
S / d2
实验原理
CIE标准发光强度测试原理图
实验原理
? 半值角：最大光功率一半的两个位置间的 夹角，由平行和垂直于光轴之分。本实验 测量平行于光轴的半值角。