[分享]国内LED光学特性检测的进展 [复制链接]

1概述 t]YC"%[S  
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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。 :$n=$C-wp  
/C6k+0ApMT  
    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。 TTKs3iTXz  
sIxTG y.  
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 C<P%CG&;  
HB
MhtfWW  
    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。 )/wk( O+  
sNLs\4v  
    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。 [xGf,;Z  
aP/T<QZ~  
    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。 v+X)Qmzf~  
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k( }-  
3.LED发光效率极限值 6=fSE=]DY  
nYX@J6!  
    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。 [Ki0b^  
eY|  
    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： 1 =M ?GDc  
SF>c\eTtx  
    1cD＝(1/683)w/sr(波长555nm)； &8vCZN^  
Ac<Phy-J  
    1cD＝1lm/sr； iy%ZQ[Un  
;oc&Hb  
    1w＝683lm(波长555nm)。 hBBUw0"  

-$dXE+&   
    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。 ])nPPf  
\Z+z?K O  
　　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。 2u5|8  
3G(miP6
 
    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。 )3>hhuaa  
K5x
X)oV  
    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。 ~4 `5tb  
|\7 ET[Xq  
    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。 ,.}]ut/Tm  
t({W [JL  
4.LED与传统光源的比较 n\^Tq<] a  
23DiW#o'  
    (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,N
Jb+J  
C,v(:ZE$J7  
    (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。 /,g,Ch<d  
eep1I :N  
    (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示)； 5) pj]S!]-  
 O4og?h>  
    (4)LED光学参数与观察角度有关； Vz=PiMO  
0sfr 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)。  ~Hr}]  
*U P@9D  
    LED的上述特性，给LED光学特性的测量带来很多问题。 UOxkO  
/(.mp<s0  
5.LED光学特性的测量 [E/\#4b  
f)^_|8  
    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑： n}!PO[m~  
K|:@Z  
    (1)发光强度； O vk_\On  
fmb} 2h  
    (2)总光通量； K*X_FJ  
Q|D @Yd\  
    (3)光谱特性、色品坐标、主波长； ?'KL11@R  
JYW)uJ  
    (4)发光强度的空间分布和总光通量。 XYZ4TeW\1  
R]RZq+2^  
    5.1发光强度 E:
$P=%b  
'lEA)&d  
    由于LED的结构特点，为提高其发光效率，在其底部配装反射器，实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点，它并不是一个点光源。因此，在评价LED发光强度时，光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件如图9、图10所示。 r}mbXvn  
Y]B)'[=h  
    应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。a和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行，因此被称为“平均发光强度”(ali)。 Vv.|br`;}  
t3&LO~Ye  
    关于测量探测器的修正：由于测量探测器V(?姿)的配匹误差将造成“平均发光强度”(ali)的测量误差(如图11所示)，V(?姿)的配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重，采用光谱修正方法可以提高测量精度。 &GB:|I'%7  
u (em&M  
　　探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算： Wb?8j M  
>o7n+Rb:  
    es＝k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) 93` AWg/T  
l%1!a  
    ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布； er!DYv  
^]W<X"H+Z  
    Ec＝k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2)  D0%Ug>  
b-{=s+:  
    pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布； !AKg m'Nw  
:n.f_v}6  
    ■＝■＝k■(3) 8>WC5%f*  
lna}@]oR  
    s(?姿)为探测器的相对光谱灵敏度，为测量标准光源和待测光源的信号值，精确的照度值为： a*ushB  
=Q+= f  
    Ec＝k■es(4) + EGD.S{  
k=4N.*#`y  
    对LED发光强度测量仪器的要求： t\%HX.8[;%  
Ipq"E  
    (1)测量立体角要正确 Pyb Z)5u  
DW_1,:,?7l  
    DΩ＝0.001sr(a条件) /M3Y~l$  
~=
=>pj  
    DΩ＝0.01sr(B条件) BE_ay-  
5 ({t4dm  
    (2)测量机械轴正确； 5`gQ~  
.xH5fMj,"  
    (3)有效的防杂散光设计； /q5v"iX]T  
RkBb$q9F]  
    (4)精密的V(λ)光探测器； k|lcc^[0  
g'V>_u#(  
    (5)提供V(λ)光探测器光谱数据，便于修正测量值； 7,lq}a8z  
[ji#U s:h  
    (6)配备高稳定性的供电电源。 NT+?#0I  
~XWQhIAM4  
    5.2LED光通量的测量
Ct=-4  
79xx2  
    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。 jkt_5+S  
f'VX Y-  
    (1)积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差； S>]pRV9rT  
hnc@  
    (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％。 V&\[)D'c  
;bLEL"x%  
    (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； !`M|C?b  
?l^1 *Q,  
    (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 "vyNxZE  
.[JYj(p  
    5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 Ooq! 0g  
 s8rE$  
    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： #~l(]h@ )  
"huFA|`  
    (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统；  oze&  
T3pmVl  
    (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用； B9H@e#[  
bj"J'  
    (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； JAX*hGhkh  
=MLcm^b  
    (4)主波长的对比测量差别很小； )Hk3A$6(  
OSf}Q=BL  
    (5)ccD测量仪器相对误差较大。 Q&eQQ6b^Ih  
~ y;6W0x  
　　图12是一些国际对比结果：ccD仪器对白光LED的测量对比。 W>p-u6u%E|  
@Q/-s9b  
6标准LED (C@~3!AVa  
{'2@(^3  
    6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 _c
J2\`M  
rjPL+T_  
    (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。 *]VFvh  
?}a;}Q6  
P}TI q#  
    (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)。 T<w5vqFDu  
tP2qK_\e=  
    (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。 $W9{P;  
^,;z|f'%*  
    (4)光度学、色度学、辐射度学的基本理论是LED的测量基础。标准a光源是测定标准LED光谱功率分布特性的重要基准。 m$W <  
t7?Zxq  
    (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 eQD)$d_5  
isZAoYVu  
    作为一种补充测试方法，美国(nist)、匈牙利、英国(npl)、德国(ptB)等国家以及我国都在积极开展标准LED研究工作。 846$x$G4  
q"<acqK  
    6.2对标准LED特性的要求 n>^Y$yy}!  
r.>].~}4  
    (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； cgm~>  
WeQk<y
 
    (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； P3nb2.  
[-;_ZFS{  
    (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； "gne_Ye.  
IS#FiH  
    (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。 :xh?eN&  
.Jrqm  
    6.3应用标准LED测量的优点 #P?6@\  
Y))u&*RuT0  
    (1)不需要对光度探头进行光谱校正； G_k~X"  
o(r\E0I  
    (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。

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