[分享]国内LED光学特性检测的进展 [复制链接]

1概述 E]eqvTNH  
PcSoG\-G<  
    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。 $Z7|t  
E=1/  
    LED光源的进展和人们对它在照明领域中应用的期待，也对相应的光学检测技术有了新的要求。由于LED的光学特性与传统光源有较大差别，需要研究开发适应这种新型光源的测量方法。 #PLB$
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D917[<$  
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 SE}RP3dF!  
\I,Dje/:w  
    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。 U9p.Dh~)vG  
w6In{uO-Z  
    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。 zUUxxS_?  
7E75s)KH  
    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。
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l6DIsR  
3.LED发光效率极限值 Z=t#*"J  
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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。 wyzBkRg.  
!q6V@&  
    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： _M]rH<h  
<,cIc]eX  
    1cD＝(1/683)w/sr(波长555nm)； ?nGf Wx^  
|8U7C\S[  
    1cD＝1lm/sr； ie)1h  
pS@VLXZP  
    1w＝683lm(波长555nm)。 y[@j0xlO  
rNzhP*F
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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。 bZ22O"F  
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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。 89- 8v^ Pq  
xE-`Bb  
    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。 ND9>`I5  
Y <i}"eI*  
    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。 ,N|R/Vk$+E  
tG^?fc  
    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。 KsU&<eQ  
D*r Zaqy  
4.LED与传统光源的比较 [BR}4(7  
[#rdfN'?U  
    (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)。 b= ec?n #7  
rKs WS~U  
    (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。 ?NzeP?g  
|VR5Q(d  
    (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示)； $HCAC4  
ABe^]HlH  
    (4)LED光学参数与观察角度有关； TNT"2FoBd  
,lS-
;.  
    (5)LED有各种不同的配光曲线，而且没有确定的光轴(如图8所示)。 %TTL^@1!b  
f5qHBQ  
    LED的上述特性，给LED光学特性的测量带来很多问题。 ,<j5i
?  
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5.LED光学特性的测量 @C [|'[xQ  
k|c0tvp  
    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑： Ihq@|s8  
j72]_G  
    (1)发光强度； ="[](X^ l  
ne24QZ~}  
    (2)总光通量； s!fY^3  
+X(^Q@  
    (3)光谱特性、色品坐标、主波长； =2)$|KC  
z.Kq}r^  
    (4)发光强度的空间分布和总光通量。 >rS<!e%  
Y~SlipY_  
    5.1发光强度 ${6'  
;)pV[3[  
    由于LED的结构特点，为提高其发光效率，在其底部配装反射器，实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点，它并不是一个点光源。因此，在评价LED发光强度时，光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件如图9、图10所示。 +rpd0s
49  
Mciq9{8&  
    应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。a和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行，因此被称为“平均发光强度”(ali)。 MkGq%AE`Y  
[QN7+#K,  
    关于测量探测器的修正：由于测量探测器V(?姿)的配匹误差将造成“平均发光强度”(ali)的测量误差(如图11所示)，V(?姿)的配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重，采用光谱修正方法可以提高测量精度。 H^1 a3L]  
18t
QWI$  
　　探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算： $M<4Bqr  
\HEo8~TY  
    es＝k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) e^_@^(||!6  
$D\l%y/C  
    ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布； Qr-J-2s?B  
u#,'ys  
    Ec＝k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) >!F,y3"5S  
n)!_HNc9  
    pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布； 6$<o^Ha*R  
)j|y.[  
    ■＝■＝k■(3) yB{o_1tc  
{,2_K6
#  
    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： e+ w  
:k/U7 2  
    Ec＝k■es(4) "g1;TT:1~  
!!O{ ppM  
    对LED发光强度测量仪器的要求： `'.x*MNF  
\'=}kk`  
    (1)测量立体角要正确 `(suRp8!  
0F'UFn>{  
    DΩ＝0.001sr(a条件) d;:&3r|X  
xKzFrP;/{  
    DΩ＝0.01sr(B条件) )t|Q7$v1  
oYErG],  
    (2)测量机械轴正确； Vzm+Ew _  
2Wf qgR[3  
    (3)有效的防杂散光设计； 6="&K_Q7  
at]Q4  
    (4)精密的V(λ)光探测器； o(N
yOC  
?s} E<Kr  
    (5)提供V(λ)光探测器光谱数据，便于修正测量值； |aJ6363f.  
Ic!83-  
    (6)配备高稳定性的供电电源。 #R4KBXN  
Jxw:Jk
~  
    5.2LED光通量的测量 nKkTnTSa  
,O{ 5   
    应用分布式光度计可对LED总光通量进行精确测量(探测器光谱响应曲线已修正的条件下)。这是LED总光通量的绝对测量方法，但测试仪器昂贵，工业中常用积分球进行测量。 |Z|xM  
w=o m7%J@l  
    (1)积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差； A@AGu#W  
o`! :Q!+  
    (2)镀层表面反射比越大，球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中，镀层表面反射比甚至大于98％。 ; 2-kQK9  
;-^9j)31+F  
    (3)注意被测LED的安装位置，应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域； gdY/RDxn:  
!Qa7-  
    (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 \9zC?Cw  
F<Z=%M3e  
    5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 e-)1K  
;FflEL<7Y  
    根据国际照明委员会(CIE)三次LED国际专家会议的技术交流和相关国际对比结果，现建议如下： f_XCO=8'v  
^V]DY!@k3_  
    (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统； oHnpwU  
_'p;V[(+M  
    (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用； %k)I=|  
7/!C  
    (3)1nm和5nm光谱测量带宽的色度测试结果比较接近，可采用5nm带宽测量； G_4P)G3H  
3h4"Rv=,  
    (4)主波长的对比测量差别很小； 'p]qN;`'O$  

$m oa8  
    (5)ccD测量仪器相对误差较大。 mLA$F4/K  
/loNOutw  
　　图12是一些国际对比结果：ccD仪器对白光LED的测量对比。 Vs"Q-?  
wVtBeZa  
6标准LED q0Pu6"^  
4jro4B`  
    6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 (5;xs  
FuBRb
(I  
    (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。 m
uY^Fx  
`Db}q^mQ  
H/{3 i  
    (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)。 ^ ?9 ~R"  
=K8h)B_g  
    (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。 {v 0(0  
ox#4|<qM  
    (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。 [~S0b  
=@l5He.]&  
    (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 GefgOlg5"  
ohk =7d.'  
    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。 n//a;m  
O v6=|]cW  
    6.2对标准LED特性的要求 8;3
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TF  
r'?&VS-Cj  
    (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； -H]O&u3'c  
<{kj}nxz  
    (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； !!%F$qUd\  
i+3b)xtW7  
    (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； o*'3N/D~  
5]+eLKXB  
    (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。 ~'iuh>O)  
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    6.3应用标准LED测量的优点 GssoT<Y)Z  
t[~i})yS  
    (1)不需要对光度探头进行光谱校正； VZR6oia  
4+:u2&I  
    (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。

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