从光度学与CIE规范谈如何量测LED

一、 前言
发光二极管(Light Emitting Diode; LED)是半导体材料制成的组件，为一种微细的固态光源，可将电能转换为光，其发光原理是在一顺偏之二极管p-n接合面处，自由电子与电洞发生复合作用(Recombination)，因自由电子由高能阶掉到能量较低的价带时，释放出能量而产生光与热，其不但体积小，且具有寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性佳、耗电少、发热少、色彩纯度高等特性，不仅能够配合各种应用设备的轻、薄及小型化之需求，随着蓝光LED的开发，亦使得LED Display得以全彩化，再加上白光LED的相继推出，更被誉为是下一代照明工业的主流。综上所述，随着LED应用的多元化，在其旋光性与电性的测试筛选上，自然较以往严格许多，试想，在一块显示看板上所使用的LED，若其彼此的光电特性差异过大，将造成各点亮度与颜色的不同，降低了整体均匀度，而影响呈现的品质，如此可见LED在品管测试上的重要性。以下本文将就LED的特性、旋光性相关量测单位、量测项目与CIE建议测试规范做一简介。
二、LED的特性与影响因素
空间辐射(Spatial Radiation)分布
LED封装后的树脂外壳，除了具有保护晶粒的作用外，亦会影响LED发光的方向性，而所谓空间辐射分布，系指不同视角与LED的相对发光强度变化关系，即用以描述不同方向下，LED的发光强度变化，其系取决于LED的封装方式，如内建微透镜将可改变不同视角与相对发光强度的分布关系，以因应用途需求而强化其发光指向性(集中)或扩散性(分散)。
光谱(Spectrum)分布<BR>因使用材料的不同，LED可设计出红、橙、黄、绿、蓝、紫等各颜色不同波段的光，以及红外、紫外等不可见光LED，且封装外壳颜色亦会对其光谱产生影响，其光谱半波宽(FWHM, Full Width Half Maximum)通常较窄，约数十奈米(nm)左右。
工作电流
LED的光强度与供应电流关系密切，是以量测时之供应电流须稳定，以免影响量测结果。
三、旋光性量测单位
全光通量(Total Luminous Flux)
不同波长之光辐射通量对人眼有不同权重之感应，光源之辐射通量依照其内各波长相对应之权重造成 人眼所感应的通量，称之为光通量，单位为流明(Lumen; lm)，而全光通量则定义为光源向各方向所发射光通量之总和，其示意图如下。
光强度(Luminous Intensity; IV)
光强度定义为单位立体角所发射出的光通量，单位为烛光(Candela, cd)。一般而言，光源会向不同方向以不同强度放射出其光通量，在特定方向单位立体角所放出之可见光辐射强度即称之为光强度。示意图如下。
色度(Chromaticity)
人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明协会（CIE）根据标准观测者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以纪录，计算出红、绿、蓝三原色的配色函数，经过数学转换后即得所谓的CIE 1931 Color Matching Function(x((), y((), z(())，如下图所示。而根据此一配色函数，后续发展出数种色彩度量定义，使人们得以对色彩加以描述运用。
根据CIE 1931配色函数，将人眼对可见光的刺激值以XYZ表示，经下列公式换算得到x, y值，即CIE 1931(x, y)色度坐标，透过此统一标准，对色彩的描述便得以量化并加以控制。x, y ：CIE 1931 色度坐标值 (Chromaticity Coordinates)