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    [分享]国内LED光学特性检测的进展 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2010-04-11
    关键词: LED检测
    1概述 G.E~&{5xQ  
    C%o/  
        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。 <W|{)U?p  
    tZBE& :l  
        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。 Glc4g  
    pO+wJ|f  
    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 LUVJ218p  
    9 v3Nba  
        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。 MJR\ g3  
    "&o@%){]  
        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。 5<8>G?Y  
    1ZW'PXUZ  
        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。 ]T$w7puaJ  
    [goPmVe+  
    3.LED发光效率极限值 kT=|tQ@  
    WG=r? xE  
        长期以来,半导体研究专家探索各种新技术以提高LED的内、外量子效率,2006年已有小功率白光LED发光效率达100lm/w的报导。为确定合理的LED发光效率期待值,需要从光度学、色度学的基础上计算LED发光效率极限值。 @y2Bq['  
    {ZI6!zh'  
        1979年10月,第十届国际计量大会(cGpm)定义了新坎德拉(cD)。坎德拉(cD)为发出单色辐射频率540.0154x1012HZ(波长555nm)的光源在给定方向上的发光强度,在该方向上的辐射强度为: Vw@x  
    ;j\$[4W.i  
        1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); \ bmboNe  
    -@?>nLQb  
        1cD=1lm/sr; ),FN29mZu  
    U1tPw`0h  
        1w=683lm(波长555nm)。 t7%Bv+Uo  
    tD482Sb=  
        如果忽略供电损耗、内量子效率、外量子效率数值,可以计算出各种光源和LED的发光效率极限值。 nE.s  
    R2f,a*>  
      图1为人眼光谱光效率及理想等能白光的光谱功率分布。由于人眼的光谱响应特性,理想等能白光经加权计算后,可以得到在可见光谱范围内的理想等能白光极限发光效率为182.45lm/w。 s"!}=k X  
    |}Z"|-Z  
        在照明领域中,一种新型光源的诞生,其寿命、光效是重要的质量指标,但它对各种颜色的显色特性是照明光环境的另一重要质量指标。低压钠灯的2条黄色光谱线的理论发光效率可达450lm/w(如图2所示),实际光效超过200lm/w。但由于它的显色特性差,最终被高压钠灯、金卤灯所替代。 ,(?4T~  
    F9%VyQf  
        考察LED这一新型光源,在牺牲一些显色性指数Ra的条件下与理想等能白光比较,白光LED的极限发光效率还会高一些,大约在200lm上下。对于一个实际应用于照明领域中的白光LED,发光效率的目标值设定在150~160lm/w是合理的。 v" TH[}C9D  
    xH-k~#  
        除了照明应用的白光LED外,各种光谱的LED的发光效率也可根据图2所示的数据进行估算。图3是红、绿、蓝(643nm,535nm,460nm)LED的极限发光效率值。 2*E<G|-F  
    K4L#%KUPW  
    4.LED与传统光源的比较 R.$Y1=U6  
    e%7P$.  
        (1)LED体积小,有各种不同的外形尺寸,适用于不同应用场所(如图4所示)。 UsKn4Kh  
    5 : >  
        (2)LED具有多种颜色,紫外、紫色、绿色、黄色、红色到红外,白光LED光谱如图5所示。 *3oQS"8  
    wpMQ 7:j  
        (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); DuZ]g#  
    E*"E{E7  
        (4)LED光学参数与观察角度有关; I=I%e3GEm  
    mw.aavB  
        (5)LED有各种不同的配光曲线,而且没有确定的光轴(如图8所示)。 }eK*)  
    v xZUtyJfe  
        LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 @TG~fJSA12  
    `G{t<7[[;  
    5.LED光学特性的测量 AMfu|%ZL  
    82l";;n4p  
        LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: :|( B[  
    1#RA+d(  
        (1)发光强度; e.h:9` "*  
    ]&BFV%kw  
        (2)总光通量; `N,Jiw;bw  
    :fUmMta  
        (3)光谱特性、色品坐标、主波长 2M`Ni&v  
    Z)~4)71Y:  
        (4)发光强度的空间分布和总光通量。 >qZRIDE5$  
    j KK48S  
        5.1发光强度 @35]IxD  
    y5 +&P  
        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。 Jrl xa3 [  
    k{8N@&D  
        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)。 v:b%G?o  
    `;hBO#(H0}  
        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 3N\X{za  
    %QkvBg*  
      探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: 69L&H!<i:  
    1Pc'wfj  
        es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) }DwXs`M7  
    vsR&1hs  
        ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; Vngi8%YWp  
    / nRaxzf'  
        Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) W`kgYGnFG  
    N/p_6GYMa  
        pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; s=+G%B'  
    T[J_/DE@  
        ■=■=k■(3) XoOe=V?I )  
    0U~JSmj:2K  
        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: B5S1F4  
    y3GIR f;>  
        Ec=k■es(4)  _^ZII  
    8'62[e|=7[  
        对LED发光强度测量仪器的要求: ujBADDwOg)  
    iBt5aUt  
        (1)测量立体角要正确 R/7l2*  
    co|0s+%PBq  
        DΩ=0.001sr(a条件) *QJ/DC$  
    )LUl?  
        DΩ=0.01sr(B条件) &aU+6'+QXB  
    v%w]Q B  
        (2)测量机械轴正确; ,'}ZcN2)  
    9EW 7,m{A  
        (3)有效的防杂散光设计; TY}?>t+  
    yo=d"*E4^  
        (4)精密的V(λ)光探测器; 7t QiKrhp  
    eX/$[SL[  
        (5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; k5/}S@F8  
    $6[]c)(  
        (6)配备高稳定性的供电电源。 G<I5%Yo6G  
    'tj4;+xf^  
        5.2LED光通量的测量 r}w 9?s^rB  
    SQ[}]Tm;n  
        应用分布式光度计可对LED总光通量进行精确测量(探测器光谱响应曲线已修正的条件下)。这是LED总光通量的绝对测量方法,但测试仪器昂贵,工业中常用积分球进行测量。 &-9D.'WzP  
    xYq8\9Qb  
        (1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; ;DOz92X94  
    VrG|/2  
        (2)镀层表面反射比越大,球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中,镀层表面反射比甚至大于98%。 9v A`\\9  
    1Ppzch7  
        (3)注意被测LED的安装位置,应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域; JP]K\nQx'  
    +( d2hSIF  
        (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 *Bj G3Jc5  
    \$I )}  
        5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 ueOvBFgZ  
    &DV'%h>i=  
        根据国际照明委员会(CIE)三次LED国际专家会议的技术交流和相关国际对比结果,现建议如下: 4KKNw9L)  
    8~bPoWP  
        (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; 4C$,X!kzF  
    e:]$UAzp  
        (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; &nss[w$%C  
    -llujB%;,e  
        (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; }`X$ '  
    |cacMgly  
        (4)主波长的对比测量差别很小; 7g$t$cZby,  
    u'C4d6\wS  
        (5)ccD测量仪器相对误差较大。 [g{}0 [ew  
    #r C% \  
      图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 Zo` ^pQS  
    @UA>6F  
    6标准LED ^s-3U  
    `u-}E9{  
        6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 sdY6_HtE  
    z t1Q_;  
        (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。 w?[)nlNW  
    6\bbP>ql  
    (8{Z@  
        (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)。 ]lo O5  
    Kfi A 7W  
        (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。 W^x[ma z  
    sTb/l!=o  
        (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。 {"<Q?yA2y  
    ^a]:GPc  
        (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 r&qD!l5y  
    nD_g84us  
        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。 [x&&N*>N  
    # ;9KDt@  
        6.2对标准LED特性的要求 ?E`J-ncP  
    *6h.#$\  
        (1)标准LED的工作温度一般大于环境温度,也有致冷的技术方案; mb#)w`<  
    \l:n  
        (2)标准LED的样品需要老化几百小时,选择其中的稳定者进行后期标定工作; BdceINI  
    4]cOTXk9C  
        (3)标准LED必须与测试样品具有同样的光谱功率分布,需要建立多种不同颜色的标准LED。特别是白光LED,由于它可由不同光谱组成,研制通用的白光LED标准几乎不太可能; lfhB2^ ^  
    cc>h=%s`  
        (4)标准LED必须与测试样品具有同样的发光强度分布曲线(配光曲线),如果待测LED的颜色(光谱)与标准LED(光谱)有差异,则需对光度探器进行光谱校正。 k";;Snk  
    5rc<ibGh  
        6.3应用标准LED测量的优点 sU8D;ML7  
    h1BdASn_  
        (1)不需要对光度探头进行光谱校正; }>j$Wr_h  
    BKIt,7j  
        (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。
     
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