1概述 -zSkon2Y^
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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。 3$~oQC
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LED光源的进展和人们对它在照明领域中应用的期待,也对相应的光学检测技术有了新的要求。由于LED的光学特性与传统光源有较大差别,需要研究开发适应这种新型光源的测量方法。 || }'
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2.国际照明委员会(CIE)技术委员会(TC)相关LED的技术特性研究 'v~%rhq3
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国际照明委员会(CIE)的两个分部:D1(视觉和颜色分部)、D2(光和辐射测量分部),正在研究白光LED的显色性和相关的计量问题,并已转发D1∶TC1-65,TC1-62这两个研究色表的目视测量和LED的显色性的文件草案。 >Ohh)$
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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。 |[3%^!f\
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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。 JtbwY@R
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3.LED发光效率极限值 gK#G8V-,
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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。 #Aver]eK
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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: nX>HRdC
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1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); I%b}qC"5M
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1cD=1lm/sr; huTWoMU
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1w=683lm(波长555nm)。 ?]/"AWUX
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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。 ;%YAiW8{Xk
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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。 \-nbV#{
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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。 ^)%TQ.
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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。 JIh:IR(ta
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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。 T@?uA*J
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4.LED与传统光源的比较 jT $
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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)。 d#Xt2
CS\T@)@t
(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。 #
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(3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); Sf"]enwB
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(4)LED光学参数与观察角度有关; eW/sPQ-
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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)。 u~7
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F\BD7W
LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 K)_DaTmi)
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5.LED光学特性的测量 /5&'U!:+
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LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: @@~Ql
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(1)发光强度; $^ZugD
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(2)总光通量; pe@j`Sm:Ej
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(3)光谱特性、色品坐标、主波长; k]] e8>
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(4)发光强度的空间分布和总光通量。 TBr@F|RXiO
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5.1发光强度 Ce-D^9kC
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由于LED的结构特点,为提高其发光效率,在其底部配装反射器,实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点,它并不是一个点光源。因此,在评价LED发光强度时,光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件如图9、图10所示。 /j(3 ~%]o4
@/ G$
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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)。 /gUD!@
SO8b~N
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。 _YPu
Unc_e
探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: w\(;>e@
d%w#a3(
es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) CTh!|mG
%wk3&EC.
ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; au~}s |#
XPd@>2
Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) p*OpO&oodu
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pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; lq*{2M{[
MQ7Hn;`B
■=■=k■(3) jc-$l
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s(?姿)为探测器的相对光谱灵敏度,为测量标准光源和待测光源的信号值,精确的照度值为: rQM$lJ[x
=*Ru2
Ec=k■es(4) 86HK4sES
^Z`?mNq9
对LED发光强度测量仪器的要求: f zsD
ed:[^#Lj
(1)测量立体角要正确 2Pz)vnV"
2uy<wJE>
DΩ=0.001sr(a条件) 7'1 +i
3,[#%}1(S
DΩ=0.01sr(B条件) <V_P)b8$1
.M zAkZ=
(2)测量机械轴正确; R[T94U
l
%M0^d6M
(3)有效的防杂散光设计; Lj#K^c Ee
s6+`cC4
(4)精密的V(λ)光探测器; RhQ[hI
T=D|jt
(5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; #Rx|oSc}
K]s*rPT/,
(6)配备高稳定性的供电电源。 ~4'AnoD1w
7ElU5I<S
5.2LED光通量的测量 3rh@|fg)E
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应用分布式光度计可对LED总光通量进行精确测量(探测器光谱响应曲线已修正的条件下)。这是LED总光通量的绝对测量方法,但测试仪器昂贵,工业中常用积分球进行测量。 \I[50eh|
Yv ZcG3@c3
(1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; @?E|]H!S]
*%;+3SV
(2)镀层表面反射比越大,球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中,镀层表面反射比甚至大于98%。 :,[=g$CT:
IqrT@jgN-
(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; ~&\} qz3
io^L[
(4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 (W'.vEl
k 3S
5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 P<s0f:".
lU&[){
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: e|2@z-Sp-
H4{CiZ
(1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; ?Q#yf8
rD":Gac
(2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; X+LG Z4]D
+2?=W1`
(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; qOM" ?av
!wNj;ST*
(4)主波长的对比测量差别很小; 7 S6@[-E
`j)S7KN
(5)ccD测量仪器相对误差较大。 Fx6]x$3
O4lHR6M2
图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 (]gd$BgD
q"C(`S.@
6标准LED {>rGe#Vu
Al-;-t#Dc
6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 nEgDwJ<wl
yDe6f(D
(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。 %3;vDB*L$
l+HF+v$
|X6/Y@N
(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)。 D6L5X/#
% 8hjMds
(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。 rO3.%B}
7uq/C#N
(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。 OPe3p {]
IF~E;
(5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 R;l;;dC=
K~6,xZlDWM
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。 bbe$6x wi
g:rjt1w`D
6.2对标准LED特性的要求 ]/ffA|"U`
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(1)标准LED的工作温度一般大于环境温度,也有致冷的技术方案; U_[<,JE
}"x#uG
(2)标准LED的样品需要老化几百小时,选择其中的稳定者进行后期标定工作; [Zxv&$SQ
7H!/et?S,
(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; T
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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。 Wb{0UkApJ
4}xw&x
6.3应用标准LED测量的优点
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(1)不需要对光度探头进行光谱校正; :}*
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(2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。