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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 xh_6@}D2J  
    [=S@lURzm@  
        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。 h+t{z"Ic=  
    |a3)U%rUEQ  
        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。 3xp%o5K  
    D!TS/J1S;u  
    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 ]\ sBl  
    Ia0.I " ,  
        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。 T$0//7$')  
    6@ ToPbj4  
        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。 ZK{VQ~  
    y9pQ1H<F;  
        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。 v&xk?F?WU,  
    ,DXNq`24  
    3.LED发光效率极限值 R`!x<J  
    &]16Hb~  
        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。 %RdCSQ9~  
    UccnQZ7/I  
        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: 8`U5/!6fu  
     #RbPNVs  
        1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); a^,6[  
    u6awcn  
        1cD=1lm/sr; =HQH;c"  
    >|XQfavE  
        1w=683lm(波长555nm)。 ]Tx8ImD#)A  
    Ke~a  
        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。 Ex&f}/F  
    ZiSy&r:(  
      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。 ;rV0  
    B&O931E7  
        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。 FxTOc@<  
    CJ {?9z@$.  
        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。 hz>&E,<8q  
    $s)G0/~W  
        除了照明应用的白光LED外,各种光谱的LED的发光效率也可根据图2所示的数据进行估算。图3是红、绿、蓝(643nm,535nm,460nm)LED的极限发光效率值。 R`:Y&)c_$  
    .NiPaUzc<  
    4.LED与传统光源的比较 ,*bI0mFZ  
    [ 3]!*Cd  
        (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)。 =V/$&96Q  
    V\r5  
        (2)LED具有多种颜色,紫外、紫色、绿色、黄色、红色到红外,白光LED光谱如图5所示。 5owUQg,W  
    K0g<11}(Yg  
        (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); y4C_G?  
    oz(<e  
        (4)LED光学参数与观察角度有关; wHx1CXC  
    rPv+eM" >  
        (5)LED有各种不同的配光曲线,而且没有确定的光轴(如图8所示)。 13'tsM&  
    A@?2qX^4  
        LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 <q~&g &&+  
    oi::/W|A+  
    5.LED光学特性的测量 i(a2FKLy  
    q\x*@KQgM  
        LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: DHaSBk  
    g%4-QCZ,  
        (1)发光强度; CTD{!I(  
    E;@` { v  
        (2)总光通量; G!ty@ Fx  
    Y@Lv>p  
        (3)光谱特性、色品坐标、主波长 0N;Pb(%7UU  
    WW:@%cQ@  
        (4)发光强度的空间分布和总光通量。 q-KN{y/  
    3R !Mfz*  
        5.1发光强度 Vv B%,_\  
    #W @6@Mv  
        由于LED的结构特点,为提高其发光效率,在其底部配装反射器,实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点,它并不是一个点光源。因此,在评价LED发光强度时,光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件如图9、图10所示。 &s_[~g<  
    `|8)A)ZVT  
        应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。a和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行,因此被称为“平均发光强度”(ali)。 NFDi2L>Ba  
    b* no.eB  
        关于测量探测器的修正:由于测量探测器V(?姿)的配匹误差将造成“平均发光强度”(ali)的测量误差(如图11所示),V(?姿)的配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重,采用光谱修正方法可以提高测量精度 {-PD3 [f"  
    g|9' Lk  
      探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: pa~.[cBI  
    1Yo9Wf;vP  
        es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) ?>*i8*  
    DDwH9*  
        ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; 1ZJP.T`  
    y"<nx3  
        Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) m;>HUTj  
    K=;z&E=<c  
        pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; ssoIC  
    63#Sf$p{v  
        ■=■=k■(3) i5T&1W i  
    .,)NDG4Q  
        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: po}Jwx!  
    21O!CvX   
        Ec=k■es(4)  O3bo3Cm$  
    .RxH-]xk  
        对LED发光强度测量仪器的要求: )(oRJu)y  
    ]E .+)>  
        (1)测量立体角要正确 ytf.$P  
    c`yLn %Of%  
        DΩ=0.001sr(a条件) :rnn`/L  
    ~c%H3e>Jcq  
        DΩ=0.01sr(B条件) $z"3_4a  
    Z!0D97^  
        (2)测量机械轴正确; y Rr,+>W  
    4nmc(CHQ:  
        (3)有效的防杂散光设计; [8EzyB>fH  
    t7pe)i,)  
        (4)精密的V(λ)光探测器; Ms ;:+JI  
    6J9^:gXW~  
        (5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; Ob$| IH8.  
    ne4j_!V{Mf  
        (6)配备高稳定性的供电电源。 Kr3L~4>  
    dE=4tqv-r  
        5.2LED光通量的测量 v@_b"w_TY  
    UIc )]k%  
        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。 ak 94"<p  
    ~4S@kYe{3K  
        (1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; 3qR%Mf'  
    7dhip  
        (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%。 PE4#dx^  
    $TyV< G  
        (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; ln-+=jk  
    Q%o:*(x[O  
        (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 ~:~-AXaMT  
    ~1jSz-s  
        5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 . Xn w@\k'  
    M >#kfSF+  
        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: *Hx{eqC  
    4 8l!P(>?y  
        (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; r)UtS4 7  
    dY'/\dJ  
        (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; P~/Gla k  
    x?v/|  
        (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; pT\>kqmj  
    ;WxE0Q:!~  
        (4)主波长的对比测量差别很小; ` 1aEV#;  
    bBA #o\[  
        (5)ccD测量仪器相对误差较大。 ~jWG U-m  
    2x%Xx3!  
      图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 &~Qi+b0!  
    FMMQO,BU  
    6标准LED w7aC=B/{?i  
    SC/|o  
        6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 y ,e# e`  
    5xKo(XNp  
        (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。 !?!~8J~  
    jI:5[. Y  
    VL4ErOoZ  
        (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)。 ]w ^9qS  
    s @\UZ C  
        (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。 "l0z?u  
    EF1aw2  
        (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。 (|H1zO  
    K'z|a{ru.{  
        (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 /sVy"48-  
    iv@ey-,<  
        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。 M{M>$pt   
    80=6B  
        6.2对标准LED特性的要求 x aiA2  
    fy&vo~4i;  
        (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; X.TsOoy  
    ~Iw7Xq E2  
        (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; DMO8~5  
    $}kT )+K  
        (3)标准LED必须与测试样品具有同样的光谱功率分布,需要建立多种不同颜色的标准LED。特别是白光LED,由于它可由不同光谱组成,研制通用的白光LED标准几乎不太可能; >HMuh)  
    *Xm$w  
        (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。 !##OQ  
    Xi vzhI4  
        6.3应用标准LED测量的优点 _4H 9rPhf  
    6yZ!K  
        (1)不需要对光度探头进行光谱校正; X@`kuWIUw  
    kaybi 0  
        (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。
     
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