[分享]国内LED光学特性检测的进展 [复制链接]

1概述 *,9.Bx*  
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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。 kqYvd]ss  
<,~ =o  
    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。 1k@k2rE  
&JoMrcEZ  
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 A[juzOn\  
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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。 G@
Dw  
&lYKi3}x  
    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。 ,j~R ^j  
*!De(lhEc  
    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。 /*GRE#7S  
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3.LED发光效率极限值 dG{`Jk  
H3 _7a9  
    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。 0|X!Uw-Q%_  
H[%Fo  
    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： 6l#1E#]|  
@]f"X>  
    1cD＝(1/683)w/sr(波长555nm)； ]?F05!$*  
"r0z(j  
    1cD＝1lm/sr； ~B%EvG7
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|7Z,z0 ?V  
    1w＝683lm(波长555nm)。 maLJ M\C  
iL1.R+  
    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。 =$5[uI2  
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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。 96F:%|yG  
o}5:vi
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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。 4'rWy~` V  
yy?|q
0  
    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。 yz-IZt(  
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XFV  
    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。 my")/e  
s<qSelj  
4.LED与传统光源的比较 CG
g:e:4  
K G~](4JE(  
    (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)。 h~elF1dG  
$X5~9s1Wl  
    (2)LED具有多种颜色，紫外、紫色、绿色、黄色、红色到红外，白光LED光谱如图5所示。  L}AR{  
0c1}?$f[?%  
    (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示)； kETA3(h'
 
\E.t=XBn  
    (4)LED光学参数与观察角度有关； (~pcP
GUG  
\{da|n-  
    (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)。 f7X#cs)a  
BmrP]3W?  
    LED的上述特性，给LED光学特性的测量带来很多问题。 0[D5]mcv  
lf|e8kU\f  
5.LED光学特性的测量 ,?B.+4CW\E  
lGPC)Hu{`  
    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑： <E@7CG.=  
P0Na<)\'Y!  
    (1)发光强度； CV4V_G  
L5yxaF{]  
    (2)总光通量； 1s\10 hK1c  
1:7>Em<s  
    (3)光谱特性、色品坐标、主波长； ,@='.Qs4g  
fokT)nf~^8  
    (4)发光强度的空间分布和总光通量。 $?Aez/  
$},:z]%D  
    5.1发光强度 =&"Vf!7YR7  
^yK94U;<Gy  
    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。 Dr`\  
R)cns7oW  
    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)。 '! 1ts@  
-f9M*7O<gf  
    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。 O%o#CBf0  
(%#d._j>fZ  
　　探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算： ? z=>n  
.F#mT h  
    es＝k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) d?N"NqaN  
![Ip)X OG  
    ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布； zp4ru\  
P+}qaup  
    Ec＝k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) 2+=|!+f  
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Vv#Z\r  
    pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布； sQJM 4'8f  
ZX'{o9+w5  
    ■＝■＝k■(3) #-'}r}1ZT  
2Fx<QRz  
    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： F5 LQgK-z  
V2VsJ  
    Ec＝k■es(4) 8@hzw~>  
$+
Pv fQ  
    对LED发光强度测量仪器的要求： #0`"gR#+  
1.,mNY^UN  
    (1)测量立体角要正确 Ysr{1!K  
e_1mO 5z  
    DΩ＝0.001sr(a条件) ]3={o3[:  
M8[YW|VkP  
    DΩ＝0.01sr(B条件) J+IW  
$#RD3#=?u  
    (2)测量机械轴正确； do[K-r  
^OBaVb  
    (3)有效的防杂散光设计； &]LwK5SR  
5?O/Aub  
    (4)精密的V(λ)光探测器； Vj2GK"$v  
=rBFMTllM  
    (5)提供V(λ)光探测器光谱数据，便于修正测量值； ,xTbt4J  
#Ejly2C,  
    (6)配备高稳定性的供电电源。 vhL&az  
5)nv  
    5.2LED光通量的测量 NWAF4i
&$  
DGd&x^C  
    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。 Y43#];  
m
Cz6&  
    (1)积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差； fwq|8^S@  
chd${ j  
    (2)镀层表面反射比越大，球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中，镀层表面反射比甚至大于98％。 pM46I"  
VBH[aIW  
    (3)注意被测LED的安装位置，应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域； 3Aj_,&X.@(  
rqF PUp  
    (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 /6q/`vx@  
g$ 2M|Q  
    5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 &)X<yd0  
cw5YjQ8 9  
    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： `PW=_f={  
> T-O3/KN  
    (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统； *z+\yfOO"  
F}AbA pTv  
    (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用； D46|)-  
q~w;C([k_  
    (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； gMGg9U$@  
v PGuEfz  
    (4)主波长的对比测量差别很小； N)!v-z,k  
P9>C!0 -x  
    (5)ccD测量仪器相对误差较大。 )/U1; O  
Dq?2mXOqD  
　　图12是一些国际对比结果：ccD仪器对白光LED的测量对比。 u}:O[DG  
2ga}d5lu  
6标准LED 6)3eB{$;  
IWWFl6$-  
    6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 0sUc6_>e  
:5*<QJuI#A  
    (1)根据以上对LED光学特性的分析，国家计量部门和工界可应用常规的光度、色度及辐射度仪器对LED的总光通量、光谱特性、色品坐标、主波长、色温等参数进行测量。 *C:+N>  
> Qtyw.n  
E, v1F!  
    (2)对于LED发光强度的测量，由于LED发光特性不遵循光度学的距离平方反比定律，CIE127文件推荐采用a，B条件测量LED平均发光强度(ali)。 )m'_>-`^:  
<+b:  
    (3)为了提高平均发光强度、光通量等量值传递过程中测量的不确定度和提高测量效率，CIE建立了TC2-45、TC2-46、TC2-50等技术委员会，开展相关的研究和评价工作，以及对标准LED的研究。 AO]lXa  
]OrFW4tiE  
    (4)光度学、色度学、辐射度学的基本理论是LED的测量基础。标准a光源是测定标准LED光谱功率分布特性的重要基准。 z8!u6odu %  
i4pJIb  
    (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 *Qf}4a0  
Y
iJu48J  
    作为一种补充测试方法，美国(nist)、匈牙利、英国(npl)、德国(ptB)等国家以及我国都在积极开展标准LED研究工作。 <R(2 9QN  
P X0#X=$  
    6.2对标准LED特性的要求 lC4By,1*  
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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； i3"sArP"|  
>ahj|pm  
    (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； MYPcH\K$h  
*nc4X9  
    (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； {DK:"ep  
bn`zI~WS  
    (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。 S|J8:-  
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    6.3应用标准LED测量的优点 5QSmim  
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    (1)不需要对光度探头进行光谱校正； $G_<YVXcG  
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    (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。

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