1概述 9PKXQp
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自1976年第一个红光LED问世以来,经过30年的发展,LED已形成各种光谱系列产品,单个LED的功率也从最初的零点零几瓦发展至几瓦乃至数十瓦。2001年白光LED研制成功,人们期待LED最终能进入照明领域,甚至进入家庭照明。最新白光LED的研究成果更是激动人心。小功率LED的发光效率已达100lm/W。特别是RGB-LED的研究结果表明,LED也与常规三基色荧光灯一样,可以获得各种不同的色温和均匀的照明环境。 Fy{yg]O"
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LED光源的进展和人们对它在照明领域中应用的期待,也对相应的光学检测技术有了新的要求。由于LED的光学特性与传统光源有较大差别,需要研究开发适应这种新型光源的测量方法。 ?\8aT"o
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2.国际照明委员会(CIE)技术委员会(TC)相关LED的技术特性研究 06]3+s{{
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国际照明委员会(CIE)的两个分部:D1(视觉和颜色分部)、D2(光和辐射测量分部),正在研究白光LED的显色性和相关的计量问题,并已转发D1∶TC1-65,TC1-62这两个研究色表的目视测量和LED的显色性的文件草案。 `w
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TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》可能部分替代CIE13.3-1995出版物。这两个文件已进入投票阶段。 fc3 nQp7
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TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》介绍了白光LED显色指数cRi的目视实验结果。CIE13.3-1995出版物中规定了cRi的计算方法,如果白光LED对cRi进行计算的结果与目视结果有矛盾,文件确定存在这一矛盾。技术报告的结论是:应用包括白光LED在内的显色性计算时,CIEcRi并不适用。技术委员会建议D1建立一组新的显色指数,这些显色指数不立即替代目前的CIE显色指数计算方法。新的显色指数作为CIEcRi的补充,在成功地应用组合新的显色指数后才能确定替代目前cRi的计算方法。D2成立专门的技术委员会TC2-45研究LED的测量方法:TC2-45文件《mea-suremEntofLEDs》正在投票中,它将会替代CIE127出版物。 lV^#[%
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3.LED发光效率极限值 i-wRwl4aEF
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长期以来,半导体研究专家探索各种新技术以提高LED的内、外量子效率,2006年已有小功率白光LED发光效率达100lm/w的报导。为确定合理的LED发光效率期待值,需要从光度学、色度学的基础上计算LED发光效率极限值。 7=Muq]j2
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1979年10月,第十届国际计量大会(cGpm)定义了新坎德拉(cD)。坎德拉(cD)为发出单色辐射频率540.0154x1012HZ(波长555nm)的光源在给定方向上的发光强度,在该方向上的辐射强度为: O z0-cM8t
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1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); 89:nF#
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1cD=1lm/sr; -]0:FKW
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1w=683lm(波长555nm)。 "v:k5a(
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如果忽略供电损耗、内量子效率、外量子效率数值,可以计算出各种光源和LED的发光效率极限值。 \]<R`YMV
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图1为人眼光谱光效率及理想等能白光的光谱功率分布。由于人眼的光谱响应特性,理想等能白光经加权计算后,可以得到在可见光谱范围内的理想等能白光极限发光效率为182.45lm/w。 F[}#7}xjA
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在照明领域中,一种新型光源的诞生,其寿命、光效是重要的质量指标,但它对各种颜色的显色特性是照明光环境的另一重要质量指标。低压钠灯的2条黄色光谱线的理论发光效率可达450lm/w(如图2所示),实际光效超过200lm/w。但由于它的显色特性差,最终被高压钠灯、金卤灯所替代。 &5-1Cd E
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考察LED这一新型光源,在牺牲一些显色性指数Ra的条件下与理想等能白光比较,白光LED的极限发光效率还会高一些,大约在200lm上下。对于一个实际应用于照明领域中的白光LED,发光效率的目标值设定在150~160lm/w是合理的。 n0 l|7:Mk
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除了照明应用的白光LED外,各种光谱的LED的发光效率也可根据图2所示的数据进行估算。图3是红、绿、蓝(643nm,535nm,460nm)LED的极限发光效率值。 Hes!uy
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4.LED与传统光源的比较 {nmu(EP
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(1)LED体积小,有各种不同的外形尺寸,适用于不同应用场所(如图4所示)。 c)#7T<>*'
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(2)LED具有多种颜色,紫外、紫色、绿色、黄色、红色到红外,白光LED光谱如图5所示。 #k9&OS?
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(3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); aaU4Jl?L
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(4)LED光学参数与观察角度有关; \YzKEYx+
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(5)LED有各种不同的配光曲线,而且没有确定的光轴(如图8所示)。 p?$N[-W 6-
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LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 9R$$(zB 1;
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5.LED光学特性的测量 1SjVj9{:
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LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: @\F7nhSfa
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(1)发光强度; 0\!Bh^++1
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(2)总光通量; #D_Ti%.^}
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(3)光谱特性、色品坐标、主波长; GImPPF
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(4)发光强度的空间分布和总光通量。 |I1,9ex
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5.1发光强度 |[n\'Xy;{
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由于LED的结构特点,为提高其发光效率,在其底部配装反射器,实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点,它并不是一个点光源。因此,在评价LED发光强度时,光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件如图9、图10所示。 fwt+$`n
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应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。a和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行,因此被称为“平均发光强度”(ali)。 {Yxvb**
8US35t:M
关于测量探测器的修正:由于测量探测器V(?姿)的配匹误差将造成“平均发光强度”(ali)的测量误差(如图11所示),V(?姿)的配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重,采用光谱修正方法可以提高测量精度。 4OM
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探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: :a Cf@:']
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es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) hvTc( 0;mB
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ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; `Zuo`GP*1
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Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) qWK}
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pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; by9UwM=gp
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s(?姿)为探测器的相对光谱灵敏度,为测量标准光源和待测光源的信号值,精确的照度值为: 0* x?rO?
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Ec=k■es(4) :@&e~QP(
$o+@}B0)
对LED发光强度测量仪器的要求: ;gEEdx'&T
X_-/j.
(1)测量立体角要正确 Vfd_nD^8oZ
SLP$|E;
DΩ=0.001sr(a条件) Z]LP18m9kl
)X#$G?|Hn
DΩ=0.01sr(B条件) o&q:b9T
c)Q-yPMl)
(2)测量机械轴正确; W!el[@
(~\HizSl
(3)有效的防杂散光设计; TQt[he$O
>H euf"V
(4)精密的V(λ)光探测器; S~ckIN]
|C./gdq
(5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; w@P86'< v
l{r HXST|
(6)配备高稳定性的供电电源。 i|H^&$|
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5.2LED光通量的测量 ?a+J4Zr3
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应用分布式光度计可对LED总光通量进行精确测量(探测器光谱响应曲线已修正的条件下)。这是LED总光通量的绝对测量方法,但测试仪器昂贵,工业中常用积分球进行测量。 X..M!3W
7KC2%s#7
(1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; ?jO<<@*2S
Q.4+"JoG
(2)镀层表面反射比越大,球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中,镀层表面反射比甚至大于98%。 P<1&kUZL
l-IA Q!d
(3)注意被测LED的安装位置,应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域; (Ms #)E
C.=%8|Zy
(4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 q=cnY+p>
hHEn
5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 \RVfgfe
<!W9EM
根据国际照明委员会(CIE)三次LED国际专家会议的技术交流和相关国际对比结果,现建议如下: (8S+-k?
|&S^L}V.C
(1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; NSRY(#3
,!AYeVq
(2)单色仪测量系统可满足工业部门应用;
e'|P^G>g
}+NlYD:qF
(3)1nm和5nm光谱测量带宽的色度测试结果比较接近,可采用5nm带宽测量; _B4N2t$
?)qm=mebY
(4)主波长的对比测量差别很小; B_c-@kl
(F R
(5)ccD测量仪器相对误差较大。 J=t}N+:F`b
q 3,p=ijJ
图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 kU)E-h
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6标准LED A9HgABhax
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6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 ;cv\v(0
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(1)根据以上对LED光学特性的分析,国家计量部门和工界可应用常规的光度、色度及辐射度仪器对LED的总光通量、光谱特性、色品坐标、主波长、色温等参数进行测量。 wXeJjE%j:3
XX1Iw {o9:
jfR!M07|
(2)对于LED发光强度的测量,由于LED发光特性不遵循光度学的距离平方反比定律,CIE127文件推荐采用a,B条件测量LED平均发光强度(ali)。 wuqB['3
~:="o/wo
(3)为了提高平均发光强度、光通量等量值传递过程中测量的不确定度和提高测量效率,CIE建立了TC2-45、TC2-46、TC2-50等技术委员会,开展相关的研究和评价工作,以及对标准LED的研究。 pR:cn kVF
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(4)光度学、色度学、辐射度学的基本理论是LED的测量基础。标准a光源是测定标准LED光谱功率分布特性的重要基准。 {y!77>Q/
SsL>K*t5
(5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 _rUsb4r
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作为一种补充测试方法,美国(nist)、匈牙利、英国(npl)、德国(ptB)等国家以及我国都在积极开展标准LED研究工作。 I}
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6.2对标准LED特性的要求 vdulrnGqL
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(1)标准LED的工作温度一般大于环境温度,也有致冷的技术方案; =-uk7uZM
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(2)标准LED的样品需要老化几百小时,选择其中的稳定者进行后期标定工作; ?P2d
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&2Cu"O'.i
(3)标准LED必须与测试样品具有同样的光谱功率分布,需要建立多种不同颜色的标准LED。特别是白光LED,由于它可由不同光谱组成,研制通用的白光LED标准几乎不太可能; O;;vz+ j
D7N` %A8
(4)标准LED必须与测试样品具有同样的发光强度分布曲线(配光曲线),如果待测LED的颜色(光谱)与标准LED(光谱)有差异,则需对光度探器进行光谱校正。 K@=_&A!
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6.3应用标准LED测量的优点 74Il]i1=
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(1)不需要对光度探头进行光谱校正; %lK]m`(
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(2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。