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光強(qiáng)分布、峰值光強(qiáng)和光束角檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-07-22 14:05:22 更新時(shí)間：2025-07-21 14:05:23

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

光強(qiáng)分布、峰值光強(qiáng)及光束角檢測(cè)：光學(xué)產(chǎn)品性能的核心評(píng)估

在照明、顯示、激光、光學(xué)傳感以及眾多依賴光源的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)光源或燈具的光學(xué)性能進(jìn)行精確評(píng)估至關(guān)重要。其中，光強(qiáng)分布、峰值光強(qiáng)和光束角是三個(gè)相互關(guān)聯(lián)、反映光源空間輻射特性的核心參數(shù)。光強(qiáng)分布描述了光源在各個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度（坎德拉，cd）變化情況，是理解光源照射范圍、均勻性和指向性的基礎(chǔ)。峰值光強(qiáng)則代表了該分布中發(fā)光強(qiáng)度的最大值，是衡量光源在特定方向（通常是光軸方向）上最亮程度的關(guān)鍵指標(biāo)。光束角則是一個(gè)量化光源光束發(fā)散程度的角度參數(shù)，通常定義為光強(qiáng)分布中峰值光強(qiáng)50%（或10%）處兩點(diǎn)之間的夾角，決定了光斑的大小和光線的集中程度。對(duì)這三個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)，不僅是產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制、性能認(rèn)證（如能效標(biāo)識(shí)、安全標(biāo)準(zhǔn)）的核心環(huán)節(jié)，也是優(yōu)化照明設(shè)計(jì)、滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景（如道路照明、舞臺(tái)燈光、醫(yī)療手術(shù)照明、汽車前照燈）光照需求的根本依據(jù)。

核心檢測(cè)項(xiàng)目

檢測(cè)的核心目標(biāo)聚焦于以下相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)：

光強(qiáng)分布: 測(cè)量光源在三維空間中各個(gè)角度（通常以C-γ或A-B坐標(biāo)系表示）上的發(fā)光強(qiáng)度值（坎德拉, cd），并繪制成光強(qiáng)分布曲線或三維等光強(qiáng)圖（配光曲線）。
峰值光強(qiáng): 從測(cè)得的光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)中，找出并確認(rèn)發(fā)光強(qiáng)度的最大值（通常位于光軸方向，但也可能偏移）。
光束角:
- 50%光束角 (Full Width at Half Maximum - FWHM): 在包含峰值光強(qiáng)的平面內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度降至峰值光強(qiáng)50%的兩點(diǎn)之間的夾角。這是最常用的光束角定義，表征了主光束的寬度。
- 10%光束角: 發(fā)光強(qiáng)度降至峰值光強(qiáng)10%的兩點(diǎn)之間的夾角，表征了光束的有效擴(kuò)散范圍或泛光范圍。

相互關(guān)系: 光束角直接由光強(qiáng)分布曲線在特定強(qiáng)度閾值（50%或10%）下的角度跨度決定，而峰值光強(qiáng)是定義這些閾值的參考基準(zhǔn)。

關(guān)鍵檢測(cè)儀器

實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的核心設(shè)備是：

分布光度計(jì)（Goniophotometer）： 這是最全面和標(biāo)準(zhǔn)的儀器。
- 功能： 通過(guò)旋轉(zhuǎn)被測(cè)光源或探測(cè)器，精確測(cè)量光源在整個(gè)三維空間（4π立體角）內(nèi)各個(gè)方向的光強(qiáng)。
- 核心組件：
  - 精密旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)： 通常包含兩個(gè)互相垂直的旋轉(zhuǎn)軸（C軸和γ軸，或A軸和B軸），用于定位探測(cè)器或光源到任意角度。
  - 高精度光度探測(cè)器： 通常配備經(jīng)過(guò)V(λ)函數(shù)校正的光電二極管或硅光電探測(cè)器，用于測(cè)量光通量并轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)。
  - 暗室環(huán)境： 測(cè)試必須在完全黑暗、無(wú)雜散光干擾的環(huán)境中進(jìn)行，通常需要大型或小型暗室。
  - 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)： 控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)、采集探測(cè)器信號(hào)、處理數(shù)據(jù)并生成報(bào)告。
- 類型： 主要分兩類：光源旋轉(zhuǎn)式 (被測(cè)光源在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，探測(cè)器固定) 和 探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式 (探測(cè)器圍繞固定光源旋轉(zhuǎn))。前者更常見(jiàn)于大型燈具測(cè)試。
成像光度計(jì)（Imaging Goniophotometer / Imaging Luminance & Colorimeter）：
- 原理： 使用高分辨率的CCD或CMOS相機(jī)，結(jié)合魚眼鏡頭或精密旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，一次性或快速掃描測(cè)量一個(gè)平面或整個(gè)空間的光強(qiáng)分布和亮度分布。
- 優(yōu)勢(shì)： 測(cè)量速度快，可同時(shí)獲得空間亮度/色度信息，適合復(fù)雜光源（如LED矩陣、顯示屏）和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
- 局限： 絕對(duì)精度和動(dòng)態(tài)范圍可能略低于傳統(tǒng)分布光度計(jì)，對(duì)鏡頭和校準(zhǔn)要求極高。
高速光度探頭： 用于測(cè)量動(dòng)態(tài)或頻閃光源的峰值光強(qiáng)和瞬時(shí)變化。

標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法

測(cè)量流程遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，核心步驟如下：

設(shè)備校準(zhǔn)： 這是所有測(cè)量的基礎(chǔ)。必須使用標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)光度探測(cè)器和整個(gè)系統(tǒng)的空間響應(yīng)、線性度進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和溯源。
樣品安裝與定位： 將被測(cè)光源/燈具精確安裝在分布光度計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)中心，確保其光電中心與轉(zhuǎn)臺(tái)中心重合，光軸與轉(zhuǎn)臺(tái)的參考軸（通常是C=0°，γ=0°方向）對(duì)齊。
測(cè)試距離設(shè)定： 根據(jù)光源尺寸和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求（如“遠(yuǎn)場(chǎng)”條件：距離d ≥ 5~10倍光源最大尺寸），設(shè)置探測(cè)器與光源參考中心之間的距離。探測(cè)器距離不足會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。
數(shù)據(jù)采集：
- 傳統(tǒng)分布光度計(jì)： 控制系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的角度步長(zhǎng)（如C軸每15°/30°，γ軸每1°/2.5°）旋轉(zhuǎn)光源或探測(cè)器，在每個(gè)角度位置，探測(cè)器測(cè)量光通量Φ（流明, lm）。根據(jù)平方反比定律（I = Φ * d2），計(jì)算該方向上的光強(qiáng)I（cd）。
- 成像光度計(jì)： 通過(guò)拍攝一系列圖像（固定光源旋轉(zhuǎn)相機(jī)，或固定相機(jī)旋轉(zhuǎn)光源），利用相機(jī)像素的響應(yīng)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，直接反演出空間各方向的光強(qiáng)。
數(shù)據(jù)處理與分析：
- 將采集到的所有角度-光強(qiáng)數(shù)據(jù)點(diǎn)整理成表格或數(shù)據(jù)庫(kù)。
- 通過(guò)插值等方法，生成平滑的光強(qiáng)分布曲線（通常在包含光軸的主平面上，如C0-C180平面）。
- 在整個(gè)數(shù)據(jù)集中搜索并確定峰值光強(qiáng)（I_max）及其對(duì)應(yīng)的角度。
- 在包含峰值光強(qiáng)的平面（或多個(gè)平面）的光強(qiáng)分布曲線上，找到光強(qiáng)值等于50% * I_max的兩個(gè)角度點(diǎn)，其差值即為50%光束角（通常為主光束角）。同理可計(jì)算10%光束角（泛光光束角）。
- 生成三維等光強(qiáng)圖（配光曲線圖）、極坐標(biāo)圖或直角坐標(biāo)圖。
報(bào)告生成： 記錄測(cè)試條件（設(shè)備型號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)、距離、環(huán)境溫度等）、原始數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果（峰值光強(qiáng)、光束角）、關(guān)鍵圖表和結(jié)論。