1概述 !xm87I
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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。 tl |Qw";I
"pb,|U
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。 =6Dz<Lq
gw0b>E8gZ&
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 D}1Z TX_
F2yc&mXyk
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。 Aen)r@Y:
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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。 *xxG@h|5n
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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。 Omkl|l9
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3.LED发光效率极限值 Hf( d x\5
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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。 \8%64ZL`
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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: yjUSM}$
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1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); 4-@D` ,3L
X p4x:N
1cD=1lm/sr; d(RSn|[0
0?3Ztdlb
1w=683lm(波长555nm)。 \'I->O]
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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。 VU7x w
=vxiqRm
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。 IP'gN-#i
", b}-B
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。 qF m=(J%
&DC
o;Ij;
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。 LJK<Xen
KlbL<9P>
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。 nd(O;XBI
v=15pW
4.LED与传统光源的比较 V:*QK,
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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)。 *i#m5f}
SsiKuoxk
(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。 "Gx(-NH+
X(F2 5
(3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); ` z<k7ig
{7!WtH;-
(4)LED光学参数与观察角度有关; gR)T(%W
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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)。 z-*/jFE
HE0UcP1U
LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。
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5.LED光学特性的测量 )h-Qi#{
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LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: mF\r]ovVm
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(1)发光强度; t(FIBf3
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(2)总光通量; t><AaYij_
X_Vj&{
(3)光谱特性、色品坐标、主波长; .JIn(
W|_^Oe<
(4)发光强度的空间分布和总光通量。 a=3?hVpB
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R_
5.1发光强度 u!TVvc
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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。 FZTBvdUYp
SB
R=
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)。 \Ub=Wm\
uY+N163i
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。 ^Wk.D-
"|&xUWJ!)
探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: 71i".1l{K
^W-03
es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) KF&1Y>t=
JR='c)6:
ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; wmh[yYWc
3#7D
g't
Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) _l}"gUti w
5nL,sFd
pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; g:bw;6^u
_:|/4.]`_
■=■=k■(3) ^DZ(T+q,
/(-X[[V
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: {J-kcD!bz`
fy at-wbb
Ec=k■es(4) T^9k,J(rM
G&FA~c
对LED发光强度测量仪器的要求: ?rqU&my S
yj!4L&A
(1)测量立体角要正确 S`ms[^-q*
#SiOx/
DΩ=0.001sr(a条件) KrNu7/H
{VOLUC o 4
DΩ=0.01sr(B条件) cY1d6P0
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(2)测量机械轴正确; J{Fu 8
iYE:o{
(3)有效的防杂散光设计; r@;n \
nRKh|B)
(4)精密的V(λ)光探测器; 'yG9Rt
u*/.
(5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; <0!/7*;#ZT
k!Y7Rc{"
(6)配备高稳定性的供电电源。 C^>txui8
5AV5`<r.
5.2LED光通量的测量 y#-mj,e
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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。 *^cJn*QeL
G-?y;V 1
(1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; Z/nTI0N{
XD>(M{~
(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>
K
sbPqR
=m{]Xep
(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; 8P8@i+[]W
+z/_'DE
(4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 RLkP)+t
uZ}=x3B
5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 *z-Mr~V
nZ>8r
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:
XI+m
fhCMbq4T
(1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; Ji<^s@8Zc
8 /3`rEW
(2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; e RiP C
Qs(WyP#
(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; y8/
7@qw
saMv.;s
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(4)主波长的对比测量差别很小; [o]^\ay
xE+Nz5F
(5)ccD测量仪器相对误差较大。 r=8(n<;Co
IBYRuaEB
图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 ?2D1gjr
"o+E9'Dm
6标准LED px!lJtvgo
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6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 hrsMAh!
>0yx!Iao
(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。 >^vyp!
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.GG6wL<$?
(2)对于LED发光强度的测量,由于LED发光特性不遵循光度学的距离平方反比定律,CIE127文件推荐采用a,B条件测量LED平均发光强度(ali)。 l (;~9u0sa
US<bM@[
(3)为了提高平均发光强度、光通量等量值传递过程中测量的不确定度和提高测量效率,CIE建立了TC2-45、TC2-46、TC2-50等技术委员会,开展相关的研究和评价工作,以及对标准LED的研究。 y%* hHnGd
7s#,.(s
(4)光度学、色度学、辐射度学的基本理论是LED的测量基础。标准a光源是测定标准LED光谱功率分布特性的重要基准。 SyHS 9>
&_mOw.
(5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 3<:(Eda}
5r#0/1ym!
作为一种补充测试方法,美国(nist)、匈牙利、英国(npl)、德国(ptB)等国家以及我国都在积极开展标准LED研究工作。 3f;W+^NY
-[\+~aDH,
6.2对标准LED特性的要求 \^7D%a=;C
Gn}G$uk61
(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; ^HpUbZpat)
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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; pwq a/Yi
G&P[n8Z$
(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; n)]]g3y2
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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。 RzPqtN
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6.3应用标准LED测量的优点 >fCz,.L
N_AAh D
(1)不需要对光度探头进行光谱校正; AcF6p)@_
ivy+e-)
(2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。