1概述 Wl }J=
Q:Ma3El\
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。 g! OcWy)7
[3x}, KM
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。 $F NH:r<
E&f/*V^
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 .o]9
HbIk5
+ WT?p]
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。 u"m TS&
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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。 6OqF-nso[E
mP's4
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。 _9q byh S7
2/\I/QkTs
3.LED发光效率极限值 sE
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0.2stBw
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。 xzOn[.Fi
AGKT* l.-
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： dI>cPqQ
5K- ,k^T}
1cD＝(1/683)w/sr(波长555nm)； xxwbX6^d
GMB3`&qh
1cD＝1lm/sr； |*M07Hc x
L
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1w＝683lm(波长555nm)。 ddd2w
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B_p
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。 v6Wz:|G/u
Z?V vFEt%
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。 i0*Cs#(=h
>V4r '9I
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。 ~ z")';I|
T3LVn<Lm\
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。 ] 9c{qm}y
J :O&2g"g
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。 S!b?pl
,_s.amL3O{
4.LED与传统光源的比较 %~kE,^
!6a ;/ys
(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)。 Q2:r WE{K!
\D WKG~r-%
(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。 MZxU)QW1
J^S! GG'gb
(3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示)； %9J:TH9E)
TjI&8#AWBA
(4)LED光学参数与观察角度有关； '-Oh$hqCx|
W39J)~D^@
(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)。 Z^=(9 :
a .?AniB0
LED的上述特性，给LED光学特性的测量带来很多问题。 R&g&BF
(bpRX$is
5.LED光学特性的测量 $!TMS&Wk
teC/Uf 5
LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑： uy~$
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3Bvz& `\
(1)发光强度； Y3s8@0b3
atw*t1)g
(2)总光通量； j}`ku9S~
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(3)光谱特性、色品坐标、主波长； /3 VO!V]u
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(4)发光强度的空间分布和总光通量。 [_(uz,'
w'XSkI_ay
5.1发光强度 f8V
)nM+v"
.o,-a >jL
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。 adRIg:2
uI& 0/
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)。 lQ4^I^?m
_n{_\/A6 f
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。 ^)a:D KL
R y (<6u0
探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算：
cfRUVe
Iza;~8dH5
es＝k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) G2 V$8lh
q/Ji}NGm
ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布； s{{8!Q
&; p}HL,
Ec＝k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) 1 3)6p|6x
[O|c3;
pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布； 3) 9e-@
o?~27
■＝■＝k■(3) 9`5.0 **
6}0_o[23
s(?姿)为探测器的相对光谱灵敏度，为测量标准光源和待测光源的信号值，精确的照度值为： o4@d,uIw^
(Q
^=^s|
Ec＝k■es(4) 2V$Jn8v,`{
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对LED发光强度测量仪器的要求： w ZbT*rU
g\?07@Zd|
(1)测量立体角要正确 rc7c $3# X
Eza^Tbq%j?
DΩ＝0.001sr(a条件) *~cNUyd
Ov4 [gHy&
DΩ＝0.01sr(B条件) %[ *+
m!!;CbPo
(2)测量机械轴正确； d{) =E8wE
"LW\osjen
(3)有效的防杂散光设计； TiZ
MY:^
6 OvH"/X4
(4)精密的V(λ)光探测器； 'MB+cz+v
<{h B&4oL
(5)提供V(λ)光探测器光谱数据，便于修正测量值； (2" 4PU8
H4{7, n
(6)配备高稳定性的供电电源。 GukwN]*OY
xaV3N[Zd
5.2LED光通量的测量 M9Yov4k,4]
) te_ <W
应用分布式光度计可对LED总光通量进行精确测量(探测器光谱响应曲线已修正的条件下)。这是LED总光通量的绝对测量方法，但测试仪器昂贵，工业中常用积分球进行测量。 30(e6T;
3UZ_1nY
(1)积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差； V~5vR`}
M19 5[]
(2)镀层表面反射比越大，球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中，镀层表面反射比甚至大于98％。 t\! 5$P
kkj@!1q(wO
(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； R$MR|
{!{T,_ J
(4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 QfM^J5j.M?
W?.xtQEv
5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 mUR[;;l
~ 7Nqw wx
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： B>z^W+Unyn
e%{7CR'~TD
(1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统； P9Eh, j0_
S"87 <o
(2)单色仪测量系统可满足工业部门应用； ;i+(Q%LO
:J )^gc
(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； t*6C?zEAU
0t MzVx S
(4)主波长的对比测量差别很小； ^{++h?cS)
// Xz
(5)ccD测量仪器相对误差较大。 qEdY]t
F^TOLwix
图12是一些国际对比结果：ccD仪器对白光LED的测量对比。 P>x88M
KK -+vq
6标准LED YxA nh
9jl\H6J Y|
6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 (>P z3 7
|Xv\3r
(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。 HBk5 p>&
ZC ^?ng
X\<a|/{V A
(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)。 ?q5HAIZ`
=umF C[. W
(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。 .Dr7YquW
}JT&lyO< b
(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。 ~IQjQz?
+,D82V7S
(5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 :b#5 cMUe
aIWpgUd`
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。 : R8+jO
% %2~%FVb
6.2对标准LED特性的要求 ;hFB]/.v
~H]d9C
(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； y>R qA *J
%U1HvmyK
(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； ~i}/
g|!=@9[dv
(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； kYd=DY
x_H" <-By
(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。 xlW>3'uHfa
FOcDBCr Oe
6.3应用标准LED测量的优点 !A_KCM:Ym
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(1)不需要对光度探头进行光谱校正； ,l\D@<F
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(2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。
