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2010-04-11 23:00 |
国内LED光学特性检测的进展
1概述 +qqCk L `=*Pwcj 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。 UlKg2p #J8(*!I 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。 8]O#L}" $(08!U
2.国际照明委员会(CIE)技术委员会(TC)相关LED的技术特性研究 ]"YXa~b x") Bmw$ 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。 qg<Y^y 7 n^1H[q 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。 oR7f3';?6 Ox)_7A 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。 MBU4Awj EU'rdG*t/R 3.LED发光效率极限值 $?VYHkX 322-'S3< 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。 \yLFV9P}EL nr(C*E 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: =)N6R "-AFWWKtx 1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); f9IqcCSW 1]A\@( 1cD=1lm/sr; YhooD,[. =*>.z@WQ 1w=683lm(波长555nm)。 f'`y-]"V5) 98uMD 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。 3Q )" $YJi]:3& 图1为人眼光谱光效率及理想等能白光的光谱功率分布。由于人眼的光谱响应特性,理想等能白光经加权计算后,可以得到在可见光谱范围内的理想等能白光极限发光效率为182.45lm/w。 n* .<L l <Z7bo 在照明领域中,一种新型光源的诞生,其寿命、光效是重要的质量指标,但它对各种颜色的显色特性是照明光环境的另一重要质量指标。低压钠灯的2条黄色光谱线的理论发光效率可达450lm/w(如图2所示),实际光效超过200lm/w。但由于它的显色特性差,最终被高压钠灯、金卤灯所替代。 +>c%I&h}` R mo'3 考察LED这一新型光源,在牺牲一些显色性指数Ra的条件下与理想等能白光比较,白光LED的极限发光效率还会高一些,大约在200lm上下。对于一个实际应用于照明领域中的白光LED,发光效率的目标值设定在150~160lm/w是合理的。 d>r ]xXB6 L}A2$@ 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。 2Qc_TgWF { Q!Xxe>6 4.LED与传统光源的比较 &Wk:>9]Jrb ) :Px`] 5 (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)。 f3h]t0M vNZ"x)? (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。 8|+@A1)&4 1 .o0" (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); rTJ;s J%!vhQ (4)LED光学参数与观察角度有关; 4s"x}c">F \Il?$Kb/ (5)LED有各种不同的配光曲线,而且没有确定的光轴(如图8所示)。 cA|
n*A-j< _=cuOo"! LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 qS
ggZ0* zY-?Bv_D 5.LED光学特性的测量 J'L6^-gV ;rnhv:Iw LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: w7\
\m9 R[m+s=+ (1)发光强度; zcio\P=^|B ldRq:M5z (2)总光通量; <u?\%iJ" 8hSw4S"$ (3)光谱特性、色品坐标、主波长; y"K[#&,0 li#ep?5h^ (4)发光强度的空间分布和总光通量。 J$`5KbT3 ^
7)H;$ 5.1发光强度 8zjJshE/ Vp1Nk#H 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]4!uv^y &7{yk$]* 应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。a和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行,因此被称为“平均发光强度”(ali)。 rV*Ri~Vx U_UN& /f 关于测量探测器的修正:由于测量探测器V(?姿)的配匹误差将造成“平均发光强度”(ali)的测量误差(如图11所示),V(?姿)的配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重,采用光谱修正方法可以提高测量精度。 qmNG|U& v9#F\ F/ 探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: <" 0b8 Z j|[ >f es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) "wxyY^" _! ?a9 ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; T]\'D&P~D v[jg|s&6" Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) sy6[%8D$ n9Vr*RKM) pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; y6H`FFqK z1.vnGP ■=■=k■(3) xA0=C 9j0o)] 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: crgVedx~} 8RS@YO Ec=k■es(4) Q4g69IE g?u=n`k]\ 对LED发光强度测量仪器的要求: S2#@j#\ wb39s^n (1)测量立体角要正确 J M;WCV%NM 3A.lS+P1 DΩ=0.001sr(a条件) s+h}O}RV o,/w E DΩ=0.01sr(B条件) e`K{ 0L d"df* (2)测量机械轴正确; ,Z8)DC= eEYzA (3)有效的防杂散光设计; N7^sn!JB ku#WQL (4)精密的V(λ)光探测器; nUCOHVI7 jZiz 0[ (5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; gIKQip< uSH_=^yTQ (6)配备高稳定性的供电电源。 j?\z5i""f N%)q.'M 5.2LED光通量的测量 )kYDN_W v]}\Ns/ 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。 FJn.V1 gO m8 O, (1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; b&9~F6aM 3KtJT&RuL (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%。 1I40N[PE) cNye@}$lu (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; {TDZDH dq0!.gBT2 (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 MHA_b^7? Q 87'zf 5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 K87yQOjPv h-DHIk3/ 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: dk 0} q6~ -&lD0p>*g (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; s&XL | |