[分享]国内LED光学特性检测的进展 [复制链接]

1概述 .
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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。 r{t.c?/  
K1?Z5X(b  
    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。 k{gl^  
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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 "gXxRHTX  
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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。 + ,@ FxZl  
&`9j)3^J.  
    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。 `Y\gSUhzS  
W(;x\Nc7  
    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。 Ik`O.Q.}  

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3.LED发光效率极限值 i{o#3  
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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。 zP_]  
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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： v<L=!-b^  
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    1cD＝(1/683)w/sr(波长555nm)； 3p:=xL  
7~_{.f  
    1cD＝1lm/sr； }x*7l`1  
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    1w＝683lm(波长555nm)。 Y\.-v\uJu  
(C,e6r Y  
    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。 `TUZZz  
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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。 `_|aeoK_  
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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。 q_cC7p6t  
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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。 ,Z^Ca15z  
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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。 kW#S]fsfU  
Hal7 MP  
4.LED与传统光源的比较 &=YSM.G  
1o8wy_eSs  
    (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)。 xpF](>LC(  

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    (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。 W7t >&3l  
 Do|]eD  
    (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示)； 2z4<N2!M  

)T9;6R$b  
    (4)LED光学参数与观察角度有关； `)T&~2n
 
Re>AsnA[  
    (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)。 S@x}QQ|.  
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    LED的上述特性，给LED光学特性的测量带来很多问题。 cv2]*  
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5.LED光学特性的测量 ~8TF*3[}[  
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    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑： .;9jdGBf  
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    (1)发光强度； ndw7v  
]bm=LA  
    (2)总光通量； |XRI
meF'd  
>)Ioo$B  
    (3)光谱特性、色品坐标、主波长； r088aUO P  
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    (4)发光强度的空间分布和总光通量。 G8eD7%{b:)  
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\f:u#  
    5.1发光强度 :}Ok$^5s  
B@ {&<  
    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。 b^x07lO  
<?YA,"~  
    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)。 %]!adro~  
iRNLKi  
    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。 eX"''PA  
WWNu:,  
　　探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算： LEZ&W;bCo  
f8=]oa]  
    es＝k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) #jBN?Z#  
y%S})9  
    ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布； ; DDe.f"  
X P;Bhz3j  
    Ec＝k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) 4/'N|c.  
D^+?|Y@N  
    pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布； _\\ -md:  
D<bI2  
    ■＝■＝k■(3) )u*^@Wo  
}^Gd4[(,g  
    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： Lg4YED9#  
=xL)$DTg)  
    Ec＝k■es(4) jZd}OC<  
'H|~u&?  
    对LED发光强度测量仪器的要求： L&kr{7q  
9 |{%i$  
    (1)测量立体角要正确 w_Uh  
RNWX.g)b  
    DΩ＝0.001sr(a条件) eh(<m8I  
$shp(T,q  
    DΩ＝0.01sr(B条件) | kXm}K  
)&,{?$.  
    (2)测量机械轴正确； 8AL\ST51x"  
xq[Yg15d%  
    (3)有效的防杂散光设计； %d2!\x%bG  
G-u]L7t&1  
    (4)精密的V(λ)光探测器； F}Srn
;V  
=lp1Z
>  
    (5)提供V(λ)光探测器光谱数据，便于修正测量值； ;b0NGa(k  
uwmQ?LS]V  
    (6)配备高稳定性的供电电源。 =-#G8L%Q  
z-r2!^q27  
    5.2LED光通量的测量 </[: 9Cl  
_mJG5(|  
    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。 !yJICjXj  
H'DVwnn>ik  
    (1)积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差； 7K;!iX<d  
Ak@Dyi?p  
    (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％。 Kz?#C  
$IX\O  
    (3)注意被测LED的安装位置，应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域； ldqLM  
CvDxq:x  
    (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 UvJ;A  
ny*i+4Mb  
    5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 vScjq5"p  
-c*\o3)  
    根据国际照明委员会(CIE)三次LED国际专家会议的技术交流和相关国际对比结果，现建议如下： IG ~`i I  
M4yI`dr6  
    (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统； C! 9}  
i=S~(gp  
    (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用； h6:#!Rg  
*ZrSiIPP  
    (3)1nm和5nm光谱测量带宽的色度测试结果比较接近，可采用5nm带宽测量； uLR<FpM  
B?bW1  
    (4)主波长的对比测量差别很小； viX +|A4gJ  
K.~q+IYP[  
    (5)ccD测量仪器相对误差较大。 U7h(`b  
9+=gke  
　　图12是一些国际对比结果：ccD仪器对白光LED的测量对比。 }baR5v  
pzZk\-0R  
6标准LED d+eZub94U  
6gL-OJNo  
    6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 4rg2y]  
a_~=#]a  
    (1)根据以上对LED光学特性的分析，国家计量部门和工界可应用常规的光度、色度及辐射度仪器对LED的总光通量、光谱特性、色品坐标、主波长、色温等参数进行测量。 pCi#9=?N  
tq1CwzRX  
;&b.T}Nf06  
    (2)对于LED发光强度的测量，由于LED发光特性不遵循光度学的距离平方反比定律，CIE127文件推荐采用a，B条件测量LED平均发光强度(ali)。 cVnJ^*Z  
Z<?OwAWz  
    (3)为了提高平均发光强度、光通量等量值传递过程中测量的不确定度和提高测量效率，CIE建立了TC2-45、TC2-46、TC2-50等技术委员会，开展相关的研究和评价工作，以及对标准LED的研究。 Ifc]K?  
*ISZlR\#  
    (4)光度学、色度学、辐射度学的基本理论是LED的测量基础。标准a光源是测定标准LED光谱功率分布特性的重要基准。 q*7<)VwI  
M5357Q  
    (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 mHc>"^R  
, t5 '  
    作为一种补充测试方法，美国(nist)、匈牙利、英国(npl)、德国(ptB)等国家以及我国都在积极开展标准LED研究工作。 Yr.sm!xA  
Qn@Pd*DR  
    6.2对标准LED特性的要求 MK#wut  
46@{5)Tq  
    (1)标准LED的工作温度一般大于环境温度，也有致冷的技术方案； CNZz]H  
i:]*P  
    (2)标准LED的样品需要老化几百小时，选择其中的稳定者进行后期标定工作； r0;:t  
@gC=$A#  
    (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； \JEXX4%  
N["W Ir  
    (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。 `.jzuX  
x+8_4>,>Y7  
    6.3应用标准LED测量的优点 K.<.cJE  
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    (1)不需要对光度探头进行光谱校正； q;g>t5]a  
y;wx?1)  
    (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。

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