[分享]国内LED光学特性检测的进展 [复制链接]

1概述 *]k"H`JoFC  
B)iJH  
    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。 [! o-F;  
YLr2j 7  
    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。 q3:' 69  
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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 g==^ioS}*  
L*38T\  
    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。 3sNq3I  
<;K/Yv'{r  
    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。 `_ L|Is=n  
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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。 F!<x;h(  
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3.LED发光效率极限值 :zoX Xo  
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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。 wm4e:&  
2y,wN"qH*  
    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： woKdI)f$  
M>j)6?n`_  
    1cD＝(1/683)w/sr(波长555nm)； &!Vp'l\9  
t$2{U  
    1cD＝1lm/sr； 1x)%9u}  
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    1w＝683lm(波长555nm)。 lX7^LB  
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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。 >oNs_{  
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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。 D%btlw?{  
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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。 pcG q  
R&A.F+Zgt  
    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。 8a{gEZT,  
cPSpPx  
    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_@H:4$3  
u8QX2|  
4.LED与传统光源的比较
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    (1)LED体积小，有各种不同的外形尺寸，适用于不同应用场所(如图4所示)。 #c_ZU\"h"  
Zuf&maa S  
    (2)LED具有多种颜色，紫外、紫色、绿色、黄色、红色到红外，白光LED光谱如图5所示。 %qhaVM$]  
1+Oo Qs  
    (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示)； AmHIG_'  
(H7q[UG|  
    (4)LED光学参数与观察角度有关； Y`v&YcX;  
z#b6 aP  
    (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)。 H^~!t{\  
xb\lbS{ f  
    LED的上述特性，给LED光学特性的测量带来很多问题。 tFCeE=4%  
9,IGZ55C  
5.LED光学特性的测量 v?rN;KY#pK  
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    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑： @NZ?D0"  
A'T! og|5  
    (1)发光强度； (Y86q\DQ?|  
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    (2)总光通量； y!j1xnzki  
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    (3)光谱特性、色品坐标、主波长； SrxX-Hir  
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    (4)发光强度的空间分布和总光通量。 0T*jv! q>  
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    5.1发光强度 }
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n:{yri+  
    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。 ouujd~b+  
wp$=lU{B  
    应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。a和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行，因此被称为“平均发光强度”(ali)。 \I>,j,c  
y9 "!ys  
    关于测量探测器的修正：由于测量探测器V(?姿)的配匹误差将造成“平均发光强度”(ali)的测量误差(如图11所示)，V(?姿)的配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重，采用光谱修正方法可以提高测量精度。 ]GJskBm  
nZ]d[  
　　探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算： U<t Qj`  
<5 okwcJ^  
    es＝k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) n']@Spm  
r~X6qC  
    ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布； 4&tY5m>  
~{J.br`  
    Ec＝k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) r(RJ&\ !  
)s M}BY  
    pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布； umc!KOkL  
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W  
    ■＝■＝k■(3) 0@2%pIq\  
U7O2.y+  
    s(?姿)为探测器的相对光谱灵敏度，为测量标准光源和待测光源的信号值，精确的照度值为： 0=~Ji_5mB  
mR@iGl
\\  
    Ec＝k■es(4) U^.$k-|k  
QJxcH$  
    对LED发光强度测量仪器的要求： W /IyF){  
{Tx+m;5F  
    (1)测量立体角要正确 9K)2OX;$w  
xi^_C!*J  
    DΩ＝0.001sr(a条件) 2e+DUZBoC  
_uDtRoI8  
    DΩ＝0.01sr(B条件) $uboOfS83G  
U]_1yX  
    (2)测量机械轴正确； 4o'0lz]  
G'!Hc6OZ  
    (3)有效的防杂散光设计； B4|3@X0(  
zdtzR<X  
    (4)精密的V(λ)光探测器； ?(F~9V  
KY@k4S+  
    (5)提供V(λ)光探测器光谱数据，便于修正测量值； dP )YPy_`  
t1xX B^.M{  
    (6)配备高稳定性的供电电源。 *5wb8[  
gq/q]Fm\  
    5.2LED光通量的测量 Xod#$'M>  
?'^xO:  
    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。 w}+j
fO9  
[(]uin+9Q  
    (1)积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差； Y
f|+p65g  
y/E%W/3  
    (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％。 (.S
j"6+  
Rzw}W7zg[  
    (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； /:l>yKI+~  
(tys7og$'  
    (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 %G>*Pez%  
)%P!<|s:5  
    5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 b16\2%Ea1  
K-sJnQ23'  
    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： VP5_Y1e7  
A=>%KQc?  
    (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统； pf[bOjtR  
t '* L,  
    (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用； `N;JM3 ck  
E<Efxb'p  
    (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； *IfLoKS'  
y3kXfSe  
    (4)主波长的对比测量差别很小； :D;BA  
Z sv(/>  
    (5)ccD测量仪器相对误差较大。 r3;?]r.}7  
6ID@0  
　　图12是一些国际对比结果：ccD仪器对白光LED的测量对比。 K '7M\:zy  
b@"#A8M  
6标准LED +uLl3(ml  
sBt,y_LW  
    6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 ;5MI8  
m?0caLw<  
    (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。 "KS
zn  
h:[%' htz  
|L,_QXA2  
    (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)。 /{|JQ'gqX  
y38x^fuYJ~  
    (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。 Z0 @P1  
0M-=3T  
    (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&ZiHIJ3  
c<fl6o)  
    (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 \2#7B8  
4zzJ5,S1  
    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。 9=TjSR
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jI[Y< (F ;  
    6.2对标准LED特性的要求 "V'<dn  
QbrR=[8b  
    (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； +~Wg@  
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    (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； Tmjcc(  
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    (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uG%oV}   
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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。 =jz [}5  
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    6.3应用标准LED测量的优点 2D;2QdO  
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    (1)不需要对光度探头进行光谱校正； YMXhzqj  
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    (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。

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