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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 o2 W pi  
    -]Z!_[MlDF  
        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。 BgA\l+  
    ba% [!  
        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。 MEI]N0L3  
    l'&l!D&   
    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~ '2ki5$g  
    1UJ(._0hR  
        国际照明委员会(CIE)的两个分部:D1(视觉和颜色分部)、D2(光和辐射测量分部),正在研究白光LED的显色性和相关的计量问题,并已转发D1∶TC1-65,TC1-62这两个研究色表的目视测量和LED的显色性的文件草案。 9u1_L`+b  
    =P'=P0G  
        TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》可能部分替代CIE13.3-1995出版物。这两个文件已进入投票阶段。 {uM0J$P:  
    6O"Vy  
        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。 3HO 4 h\mp  
    Y">Q16(  
    3.LED发光效率极限值 MCurKT<pQ  
    mZ/?uPIa  
        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。 YJuaQxs  
    Sj+ gf~~  
        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: !H~!i.m'-  
    3_fLaf A  
        1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); L FHyiIO  
    HNY{%D  
        1cD=1lm/sr; [_|i W%<`  
    k5w+{iOh  
        1w=683lm(波长555nm)。 -njxc{b  
    9=rYzA?)+  
        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。 18}L89S>  
    *gMuo6  
      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。 4-E9a_  
    A!Ng@r  
        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。 FDbx"%A  
    T(a* d7  
        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。 i/C#fIB2  
    tOnaD]J  
        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。 g[8V fIe  
    &4O"Xs`ka  
    4.LED与传统光源的比较 qlPjz*<h"H  
    eP &K]#  
        (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)。 bp_3ETK]P  
    }=?r`J+Ev;  
        (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。 5c{=/}Y  
    mrFMdpaHl%  
        (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); \Vm{5[:SA  
    6jCg7Su]  
        (4)LED光学参数与观察角度有关; EIEwrC  
    A |NX"  
        (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)。 |1J "r.K  
    D Sd 5?  
        LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 g|)e3q{M  
    -<ZzYQk^h  
    5.LED光学特性的测量 wLkHU"'   
    x~Se-#$  
        LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: #xYkG5`lm  
    dMRwQejY{7  
        (1)发光强度; QHP^1W`  
    YlPZa3\  
        (2)总光通量; d`({z]W;  
    _[0Ugfz (  
        (3)光谱特性、色品坐标、主波长 d@C ;rzR  
    /I[cj3}{+f  
        (4)发光强度的空间分布和总光通量。 @m6pAo4P  
    :".!6~:2  
        5.1发光强度 O- |RPW}  
    YV! !bI  
        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。 %{zM> le9  
    _'2r=a#`  
        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)。 :JW~$4  
    kwWO1=ikz@  
        关于测量探测器的修正:由于测量探测器V(?姿)的配匹误差将造成“平均发光强度”(ali)的测量误差(如图11所示),V(?姿)的配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重,采用光谱修正方法可以提高测量精度 &+&^Hc  
    S:Yo9~  
      探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: pC5-,Z;8  
    am:LLk-Lx  
        es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) ~\ie/}zYj  
    hzKfYJcQ|  
        ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; %*eZoLD g]  
     9FWn  
        Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) | @di<d@  
    [POy" O  
        pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; M$! 0ikh  
    >x!N@G  
        ■=■=k■(3) 8 eh C^Cg  
    lFc3 5  
        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: zYls>fbp,  
    Rw$ @%o%  
        Ec=k■es(4) qIb(uF@l"  
    &<tji8Dj  
        对LED发光强度测量仪器的要求: /Zm@.%.  
    dW:  
        (1)测量立体角要正确 D+ jk0*bJ  
    0;k3  
        DΩ=0.001sr(a条件) K.X% Q,XD  
    k{@z87+&  
        DΩ=0.01sr(B条件) SxOM@A  
    N>]u;HjH  
        (2)测量机械轴正确; K32eZv`T7  
    &TK%igL  
        (3)有效的防杂散光设计; $f)Y !<bC  
    )dlt$VX  
        (4)精密的V(λ)光探测器; ]0`[L<_r  
    a,}{f]  
        (5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; ](Sp0t  
    dF FB\|e;0  
        (6)配备高稳定性的供电电源。 JVXBm]  
    }>tUkXlhJ<  
        5.2LED光通量的测量 { ET+V  
    ZnmBb_eX  
        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。 08.dV<P  
    %mxG;w$  
        (1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; Jwa2Y0  
    >6rPDzW`Dx  
        (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%。 l@Ml8+  
    ryPz?Aw(4  
        (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; <Ft.{aNq$c  
    R0m}I5Frs  
        (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 -MOf[f^  
    +'lfW{E1t  
        5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 ?!A{n3\<  
    hPEK@  
        根据国际照明委员会(CIE)三次LED国际专家会议的技术交流和相关国际对比结果,现建议如下: .WtaU  
    /8GVu7  
        (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; _N*4 3O`  
    bfrBHW#  
        (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; ^KlMBKWyB  
    3UH=wmG0w  
        (3)1nm和5nm光谱测量带宽的色度测试结果比较接近,可采用5nm带宽测量; 4~1_%wb  
    Llg[YBJ7>  
        (4)主波长的对比测量差别很小; y#T":jpR  
    KH[%HN5v  
        (5)ccD测量仪器相对误差较大。 C\fc 4  
    `qr[0wM  
      图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 YE0s5bB6  
    6BMRl%3>Z  
    6标准LED -4V1s;QUZ  
    * .Kc-f4mP  
        6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 -M(:z  
    h#`qEK&u  
        (1)根据以上对LED光学特性的分析,国家计量部门和工界可应用常规的光度、色度及辐射度仪器对LED的总光通量、光谱特性、色品坐标、主波长、色温等参数进行测量。 f PDnkr  
    ~j8x"  
    _#-(XQa  
        (2)对于LED发光强度的测量,由于LED发光特性不遵循光度学的距离平方反比定律,CIE127文件推荐采用a,B条件测量LED平均发光强度(ali)。 VT-&"Jn  
    rJg! 2  
        (3)为了提高平均发光强度、光通量等量值传递过程中测量的不确定度和提高测量效率,CIE建立了TC2-45、TC2-46、TC2-50等技术委员会,开展相关的研究和评价工作,以及对标准LED的研究。 XmXHs4  
    MMcHzRF  
        (4)光度学、色度学、辐射度学的基本理论是LED的测量基础。标准a光源是测定标准LED光谱功率分布特性的重要基准。 T>L6 X:d  
    C>j"Ck^<  
        (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 Eb#0 -I  
    h05 ~ g  
        作为一种补充测试方法,美国(nist)、匈牙利、英国(npl)、德国(ptB)等国家以及我国都在积极开展标准LED研究工作。 ! .!qJ%  
    qwVpGNc45  
        6.2对标准LED特性的要求 ``zg |h  
    w3B*%x)  
        (1)标准LED的工作温度一般大于环境温度,也有致冷的技术方案; %>pglI  
    pU}>}  
        (2)标准LED的样品需要老化几百小时,选择其中的稳定者进行后期标定工作; kgYa0 e5  
    *6=[Hmygi  
        (3)标准LED必须与测试样品具有同样的光谱功率分布,需要建立多种不同颜色的标准LED。特别是白光LED,由于它可由不同光谱组成,研制通用的白光LED标准几乎不太可能; ~KrzJp=5F  
    zvD$N-#`p  
        (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);:+s-  
    oIf -s[uH  
        6.3应用标准LED测量的优点 xe%+Yb]  
    9jJ&QACn  
        (1)不需要对光度探头进行光谱校正; HO$s&}t  
    Y[*z6gP(  
        (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。
     
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