第一部分光源的研究与实验实验一、LED光谱测量1. 实验目的LED灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度分布特性与光谱特性是人们普遍关心的重要特性，也是难于测量的特性。

光源的光谱内含有丰富的信息，为此人们研制出各种光谱探测器进行物质化学成分的分析。

安排这个实验有助于学生了解LED发出的光谱成分，并深入掌握光谱探测器的特性，更合理地运用它分析不同光源的光谱。

不同颜色与种类的LED发出的光谱辐射带宽与功率分布差异很大。

在用LED构成大屏幕显示器应用领域为获得不同颜色的显示效果，必须对所用的LED器件进行光谱特性的测量，以便正确地配制出各种颜色的图案。

2. 实验原理LED发光光谱特性既有别于LD（半导体激光器）又有别于钨丝灯等热辐射体的发光，它的单色性远不如LD，但光谱范围是有限宽度的，具有较好的单色性，当然通过二次光致发光获得“白光”的LED光谱较为丰富，但是仍然无法与钨丝灯等热辐射体的发光光谱相比。

描述LED发光光谱特性的方法是测量它的光谱辐射带宽与功率分布。

光谱仪涉及到光源的概念包括缓存参考光（将当前采集的光谱缓存为参考光），减去背景光（减去已经缓存的背景光），缓存背景光（将当前采集的光谱缓存为背景光）等。

光谱探测器进行物质化学成分分析中对物质测量模式有普通模式、吸收率模式、透射率模式、反射率模式，其测量公式如下：吸收率模式：测量物品对特定波长的吸收率A = [1.0 - (测量光- 背景光) / (参考光-背景光)] * 100%透射率模：参考光源对特定波长对待测量物品的透射率T = (测量光- 背景光) / (参考光-背景光) * 100%反射率模式：参考光源照射到待测量物品后反射光强的透射率R = (测量光- 背景光)/ (参考光-背景光) * 100%注: A + T = 1 ; A + R = 1图1光纤光谱仪工作原理图3.实验仪器①光纤光谱测试仪1台；②白、红、蓝、绿LED灯各一只③ LED灯座1只4实验步骤1，搭建实验平台给发光二极供电，数字光谱仪与电脑连接，将光谱仪的探头安放在固定架上拧开盖帽。

将二极管正对着光纤端口，打开电源开关，注意驱动电压小于额定电压（推荐2v），如图1。

图1搭建实验平台启动软件工作模块，图中显示了光谱测量和颜色测量这两个子功能模块。

点击相应的按钮或在菜单->窗口中点击相应选项即可以进入功能模块。

在下一次启动前，程序会自动进入最后一次打开的功能模块。

光谱仪连接如图2。

图2光纤光谱仪软件界面选择光谱仪后面的绿色按钮表示已经和光谱仪相连接；红色表示已经和光谱仪断开连接。

在操作上，程序打开和插入光纤光谱USB接口并没有顺序上的限制，先打开程序或先连接光纤光谱仪都能使系统正常运作。

在程序运行过程中因为某些需要移除光纤光谱仪后，系统会出现提示。

当光谱仪再次插入电脑时，程序会自动连接光谱仪，不需额外操作。

点击选择光谱仪跳出如下所示对话框。

可以在对话框中组合框选择已连接的光谱仪，如果组合框空白，表示没有光谱仪跟电脑相连接，这时需要插入光谱仪USB接口。

当选择需要的光谱仪后点击确定按钮，立刻连接光纤光谱仪，并开始正常工作。

如图3.图3选择光谱仪查看已连接的光谱仪的信息，可以参看光谱仪的技术参数设置。

如图4。

图4光谱仪信息测量至少三种LED发光二极管的光谱记录数据和图形，如图5。

图5光谱仪测光源光谱界面1、习题和思考①写出实验报告②思考光谱分析的实验误差主要来自哪里？还有什么可以改进的地方？实验二、光源与光度辐射度参数的测量1. 实验目的学习光本性的基本常识，巩固光电技术中关于光的度量内容，并掌握光电综合实验平台所用光源的发光特性；通过对光源照度的调节与测量，熟练进行光电实验过程中所用数字仪表使用方法，为后面实验做技术准备。

2. 实验仪器①光电综合实验平台主机系统1台；②发白光的L ED 平行光源（远心照明光源）及其夹持装置各1个；3. 实验原理LED的发光原理光电技术中的光源已经逐渐被 LED 发光二极管光源所替代。

LED发光二极管为 PN 结在正向偏置下发光的特性。

有些材料构成的 PN 结在正向电场的作用下，电子与空穴在扩散过程中要产生复合。

复合过程中电子从高能级的“导带”跌落至低能级的“价带”，电子在跌落过程中若以辐射的形式释放出多余的能量，则将产生发光或发辐射的现象。

如图1为注入式LED能带结构，扩散运动中的电子从导带跌入到价带时以辐射的方式释放出多余的能量。

它将发出峰值波长λm的辐射，式中，Eg 为半导体材料的禁带宽度。

（1）图1注入式L ED 能代结构除了具有发各种单色光谱的发光二极管（LED）外，还可以在发蓝光的发光二极管上涂荧光物质，由于蓝光 LED 的光谱能量很强，荧光物质将其转换成含有各种光谱成分的光谱集合，表现为发出复合波长的“白光”，常称其为白光发光二极管。

如图2所示，LED 发光二极管发出的光亮度 L 与流过 LED的电流强度 I 成正比。

因此，可以通过控制电流来控制（或调整）发光二极管的亮度，即可以通过改变发光管的电流改变投射到探测器表面上的照度，这就是LED光源具有的易调整性。

利用它的易调特性很容易设计出电光调制器，光纤通讯技术中常用 LED 的这个特性实现长距离的通讯。

图2 亮度与电流密度的关系另外，发光二极管属于半导体发光光源，它具有体积小、发光效率高、寿命长、发光强度易于调节等特点，被广泛应用于测量仪器与照明灯的光源，鉴于LED的诸多优点，所以被我们选为光电实验平台的光源。

光度参数与辐射度参数光源发出的光或物体反射光的能量计算通常是用“通量”、“强度”、“出射度”和“亮度”等参数进行度量，对于探测器而言，常用“照度”参数。

测量探测器表面的照度是十分重要的问题，许多实际问题常需要通过对照度的测量来分析或计算其他参数。

为此这里我们主要讨论照度参数。

辐照度或光照度均为单位探测器表面所接收的辐射通量或光通量。

即（2）式中 S 为探测器的面积。

上式也是通过测量照度来测量光源功率的公式。

点光源照度与发光强度的关系实验从所周知，各向同性的点光源发出的光所产生的照度与发光强度 Iv 成正比，与方向角的余弦（COSφ）成正比，与距离光源的距离平方(l2 )成反比。

既可由下式表示（3）4. 实验步骤从实验元件盒中取出各种单色的LED 发光管，把LED 发光二极管插入通用实验装置，光源和照度计探测头与L ED 光源相对安装在一起，在光学平台上构成实验测量装置，可以用照度对LED 的发光特性进行实验。

但是必须注意，照度的概念是探测表面光照特性的描述，它与距离LED 光源的距离有关，因此，必须注意这一特性。

将LED 的引线和电流表按着如图4所示的发光管发光特性实验电路。

在测量电路中用50Ω固定阻值电阻与1kΩ电位器相连接，便于调整流过L ED 发光管的电流I LED。

在发光二极管的供电电路中串入数字，电流表测量流过LED 的电流I LED。

平台上提供了自动切换量程的数字照度计，可以直读出不同工作电流下LED 发出的光照度。

图3 LED光源和照度计探头打开实验平台的电源开关，在发光管未点亮时测出暗背景照度E vb；然后，通过串入发光二极管的1kΩ电位器调节发光电流I LED，记录不同发光电流I LED 下的光照度E v，将其填入表1；改变L ED 与光电探测头间的距离，再重复进行上述实验，分析数据变化的原因。

将L ED 与光电探测头间的距离L锁定，找出电流I LED与照度间E v 的关系。

图4 LED实验电路6）光照特性（发光强度测量）实验步骤①将如图3所示的L ED 实验装置安装在G DS-Ⅳ型光电综合实验平台的导轨的一端（左端），并将其连线插入到左侧电源插孔中，使其发出稳定的光强；②将平台提供的照度计探头安装在右侧导轨上，将其连线插头插入中部插座内，与照度计连接，测量L ED 发出的照度；③测量出照度计探头与LED 光源之间的距离l，然后将遮光罩扣在平台导轨上方，使外接环境光不能影响测量结果，测出此时的照度；④重复实验步骤③ 测量3个位置（l1、l2、l3）所对应的照度（E1、E2、E3）值，由于照度计探头垂直于L ED 的主光线，既C OSφ=1，测量出3个已知距离下的照度值不难依据式（2.1-7）计算出光源的发光强度I V 值。

6. 关机与结束①所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则应重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；②将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；③将实验所用仪器收拾好，再请指导教师检查，批准后离开实验室。

实验三LED角度特性参数测量实验（选做）1. 实验目的LED（发光二极管）是非常有发展前景的半导体发光器件，是将来取代钨丝灯、日光灯、照明灯、高压汞灯与其他系列灯具的节能替代产品。

LED 灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度的空间分布特性是人们普遍关心的重要特性，安排这个实验有助于我们深入掌握它的特性，更合理地应用它为人类照明与视觉效应服务。

2. 实验仪器① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台；②LED 发光特性测试仪1台；3. 实验内容①发光强度空间分布特性与偏差角θ根据中国光学光电子行业学会2002年制定的“发光二极管测试方法”，LED 发光强度的空间分布特性是指器件发射出的光强I V 或I e 参数与空间方向角θ的函数关系I V= f (θ)。

显然，θ角度一般取为LED 器件的“机械角”，机械角的定义为器件几何尺寸由于L ED 封装工艺问题使L ED器件存在发出光强度最大的方向（称的中心线或法线为其零度角。

为主光线）与机械轴并不重合，产生如图1 所示的偏差Δθ，称其为偏差角或偏向角。

测量偏向角对于正确使用L ED 为光源，尤其是使用LED群构成面光源或彩色图像显示中具有非常重要意义。

图 1 LED 发光的空间分布特性②半发光强度角θ1/2如图1 所示，LED 的另一个重要参数是“半发光强度角θ1/2”，半发光强度角θ1/2 是描述L ED 发光范围的参数。

为获得更宽，更均匀的面光源，总希望L ED 半发光强度角θ1/2 更大些，而有些应用场合希望LED 能够将光投射到更远的地方，或在更远处获得更强的照度，则又要求LED 的半发光强度角θ1/2 尽量小，使光能量不至于太分散而损耗过大。

为满足不同应用的要求，生产出多种不同封装形式的L ED 器件，以便满足不同应用对L ED 半发光强度角θ1/2 的需求，获得理想的效果。

4. 实验步骤①熟悉LED发光角度特性测试仪如图2 所示为YHLA-Ⅱ型LED 发光角度特性测试仪的外形图，它由LED 安装夹具(右侧)、标准立体角光电接收装置（接收筒）、角度读出度盘、光电探测器输出数字电压表（左面第1、跨接在LED 两端的数字电压表、串联LED 中的数字电流表、控制LED 工块数字电压表）作电流大小的调整旋钮、控制LED 工作电压的调整旋钮、控制LED 的工作电压极性的转换开关（正、反向切换按键）和电源开关等部件构成。