1概述 >c>ar>4xF
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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。 S60`'!y
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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。 \Rt
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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 5X-{|r3q
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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。 t\0JNi$2
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TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》可能部分替代CIE13.3-1995出版物。这两个文件已进入投票阶段。 5Ozj&Zq
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TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》介绍了白光LED显色指数cRi的目视实验结果。CIE13.3-1995出版物中规定了cRi的计算方法,如果白光LED对cRi进行计算的结果与目视结果有矛盾,文件确定存在这一矛盾。技术报告的结论是:应用包括白光LED在内的显色性计算时,CIEcRi并不适用。技术委员会建议D1建立一组新的显色指数,这些显色指数不立即替代目前的CIE显色指数计算方法。新的显色指数作为CIEcRi的补充,在成功地应用组合新的显色指数后才能确定替代目前cRi的计算方法。D2成立专门的技术委员会TC2-45研究LED的测量方法:TC2-45文件《mea-suremEntofLEDs》正在投票中,它将会替代CIE127出版物。 %.Y`X(g6/
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3.LED发光效率极限值 T^>cT"ux_
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长期以来,半导体研究专家探索各种新技术以提高LED的内、外量子效率,2006年已有小功率白光LED发光效率达100lm/w的报导。为确定合理的LED发光效率期待值,需要从光度学、色度学的基础上计算LED发光效率极限值。 G;+0V0K
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1979年10月,第十届国际计量大会(cGpm)定义了新坎德拉(cD)。坎德拉(cD)为发出单色辐射频率540.0154x1012HZ(波长555nm)的光源在给定方向上的发光强度,在该方向上的辐射强度为: a$A
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1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); @)wXP@7
b,`N;*
1cD=1lm/sr; >cLZP#^\2E
p]HtJt|]
1w=683lm(波长555nm)。 ibL;99 #
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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。 T;7|d5][
GM~jR-FZ
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。 Rk^&ras_
vzPrG%Uu7g
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。 @wz7jzMi
u/WkqJvw#
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。 YTsn;3d]}
&[xJfL
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。 ~C3-E %h@Z
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4.LED与传统光源的比较 >EG;2]M&
QBg'VV
(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)。 cA,xf@itp
i=rW{0c%
(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。 Pc-HQU
Hr'#0fW
(3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); {Gy_QRsp,
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(4)LED光学参数与观察角度有关; hw1s^:|+2
Q&7Qht:ea:
(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)。 iZF{9@
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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。 B _ >|Mo/
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5.LED光学特性的测量 "wc $'7M
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LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: ,;g:qe3D$
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(1)发光强度; OXo-(HLE
Vj1AW<
(2)总光通量; Z2r\aZ-d`
u]"RAH
(3)光谱特性、色品坐标、主波长; :Li)]qN.I
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(4)发光强度的空间分布和总光通量。 !&kOqc5:t<
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5.1发光强度 :Wln$L$
UA^E^$f:
由于LED的结构特点,为提高其发光效率,在其底部配装反射器,实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点,它并不是一个点光源。因此,在评价LED发光强度时,光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件如图9、图10所示。 d)@MMF
r+n&Pp+9
应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。a和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行,因此被称为“平均发光强度”(ali)。 Pj$a$C`Z
*)Y;`Yg$
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。 BFY~::<b
"D+QT+sD
探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: "+Kr1nW
F+X3CB,f
es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) Mg].#
B{Rig5Sc
ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; Zn/1uWO
9Rpj&0Is
Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) ,QDq+93
X^?-Une
pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; p"ZPv~("V
q
/#O :Q
■=■=k■(3) *GA#.$n
D:f#
s(?姿)为探测器的相对光谱灵敏度,为测量标准光源和待测光源的信号值,精确的照度值为: ][.1b@)qV
S5;q)qz2J
Ec=k■es(4) BJvVZl2h
L^22,B
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对LED发光强度测量仪器的要求: Qx:+n`$/
jRGG5w}
(1)测量立体角要正确
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*op7:o_
DΩ=0.001sr(a条件) cWm.']
0]T
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DΩ=0.01sr(B条件) 3B,nHU
HtMlSgx,8>
(2)测量机械轴正确; lps
,5q^/h
(3)有效的防杂散光设计; x9uA@$l^|
MtS$ovg?
(4)精密的V(λ)光探测器; ]O 2_&cs
*H;&hq
(5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; E-r/$&D5mP
xx%WIY:}
(6)配备高稳定性的供电电源。 ;$Wa=wHb
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5.2LED光通量的测量 pt=[XhxC(>
'oo]oeJ-
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。 JjM^\LwKkL
GU!|J71z
(1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; n32?GRp
]TGJ|X
(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%。 }L@YLnc%
bju0l[;=
(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; ]RxNSr0e
,u$$w
(4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 r,F'Jd5
l*h6JgU
5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 ow+NT
h1,J<B@
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: $WdZAv\_S
j&8U:Q,
(1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; }V`Fz',lZ
lG q;kIQ
(2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; kQ|}"Tw7
yp8 .\.
(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; m^p
Q55,
rsrv1A=t?
(4)主波长的对比测量差别很小; 5o&L|7]
U;ev3
(5)ccD测量仪器相对误差较大。 P||u{]vU
x`a@h\n
图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 S7-?&[oeJ
d+=;sJ
6标准LED iTD{
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6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 \,~gA
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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。 >4bOM@[]
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(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)。 bvZmozbD
t,+p!"MRY
(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。 \}Hk`n)Aq
2_U H, n
(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。 UT"L5{c
Zuwd(q
(5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 YAsvw\iseK
I9B B<~4o
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。 hX_;gR&R
,v(G2`Z
6.2对标准LED特性的要求 C!v0*^i
4ajBMgD]KG
(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; 0p![&O
M=@U]1n*c
(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; =T;%R^@
N\mV+f3A@,
(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; /ZX8gR5x
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(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。 B7va#'ne4{
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6.3应用标准LED测量的优点 90M:0SH
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(1)不需要对光度探头进行光谱校正; 5Gg`+o
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(2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。