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991518 2010-04-11 23:00

国内LED光学特性检测的进展

1概述 (jM<T;4  
|}_gA  
    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。 Z0e-W:&;kF  
B/jrYT$;m  
    LED光源的进展和人们对它在照明领域中应用的期待,也对相应的光学检测技术有了新的要求。由于LED的光学特性与传统光源有较大差别,需要研究开发适应这种新型光源的测量方法。 o"|O ]  
EfKM*;A  
2.国际照明委员会(CIE)技术委员会(TC)相关LED的技术特性研究 Bu7A{DRf  
p QluGIX0V  
    国际照明委员会(CIE)的两个分部:D1(视觉和颜色分部)、D2(光和辐射测量分部),正在研究白光LED的显色性和相关的计量问题,并已转发D1∶TC1-65,TC1-62这两个研究色表的目视测量和LED的显色性的文件草案。 U r^YG4(  
MWBXs7 5I  
    TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》可能部分替代CIE13.3-1995出版物。这两个文件已进入投票阶段。 'sj9[o@]  
W|;nJs:e  
    TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》介绍了白光LED显色指数cRi的目视实验结果。CIE13.3-1995出版物中规定了cRi的计算方法,如果白光LED对cRi进行计算的结果与目视结果有矛盾,文件确定存在这一矛盾。技术报告的结论是:应用包括白光LED在内的显色性计算时,CIEcRi并不适用。技术委员会建议D1建立一组新的显色指数,这些显色指数不立即替代目前的CIE显色指数计算方法。新的显色指数作为CIEcRi的补充,在成功地应用组合新的显色指数后才能确定替代目前cRi的计算方法。D2成立专门的技术委员会TC2-45研究LED的测量方法:TC2-45文件《mea-suremEntofLEDs》正在投票中,它将会替代CIE127出版物。 {bN Y  
mT96 ]V \  
3.LED发光效率极限值 8NnhT E  
#hIEEkCp +  
    长期以来,半导体研究专家探索各种新技术以提高LED的内、外量子效率,2006年已有小功率白光LED发光效率达100lm/w的报导。为确定合理的LED发光效率期待值,需要从光度学、色度学的基础上计算LED发光效率极限值。 @. "q  
~6p5H}'H1  
    1979年10月,第十届国际计量大会(cGpm)定义了新坎德拉(cD)。坎德拉(cD)为发出单色辐射频率540.0154x1012HZ(波长555nm)的光源在给定方向上的发光强度,在该方向上的辐射强度为: __ 8&Jv\  
:I2H&,JT  
    1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); r+o_t2_b*  
[ L  
    1cD=1lm/sr; _zdNLwE[  
1{^CfamF  
    1w=683lm(波长555nm)。 s~L`53A  
ZQ|5W6c  
    如果忽略供电损耗、内量子效率、外量子效率数值,可以计算出各种光源和LED的发光效率极限值。 LyIKP$t  
Tru c[A.2Z  
  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。 C?,*U  
jQ6Xr&}  
    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。 FtE90=$  
+a-D#^ 2;  
    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。 Qe_+r(3)k  
=tq1ogE  
    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。 *\D}eBd|  
*m*`}9  
4.LED与传统光源的比较 JRq3>P  
OZ=Cp$  
    (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)。 6Z Xu,ks}  
hqL+_| DW  
    (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。 M;qBDT~)  
n,CD  
    (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); NddO*`8+)  
$%=G[/i'  
    (4)LED光学参数与观察角度有关; "TfI+QgLF  
[_V:)  
    (5)LED有各种不同的配光曲线,而且没有确定的光轴(如图8所示)。 h(nj,X+  
iUTU*El>  
    LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 ;`+`#h3-V  
]w!0u2K<Q\  
5.LED光学特性的测量 "CBRPp  
TKo<~?  
    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: /[%w*v*'  
r_^)1w  
    (1)发光强度; W2hA-1  
K3L"^a  
    (2)总光通量; t{zBC?c R  
`]jqQr97  
    (3)光谱特性、色品坐标、主波长; J:AMnUOcDi  
KzNm^^#/$A  
    (4)发光强度的空间分布和总光通量。 _lX8K:C(  
6T_K9  
    5.1发光强度 GWdSSr>  
f0DK>L  
    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。 &qKig kLd  
P#MK  
    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)。 9,scH65x  
'C^;OjAg  
    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。 f}iU& 3S  
x#r<,uNn,  
  探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: 5$%XvM  
&iBNO,v  
    es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) H:Y&OZ  
45<y{8  
    ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; 9 I{/zKq  
k"0;D-lTZ>  
    Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) s6n`?,vw  
=ewyQ  
    pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; Juu+vMn1  
YG`? o  
    ■=■=k■(3) N}x9N.  
"(f`U.  
    s(?姿)为探测器的相对光谱灵敏度,为测量标准光源和待测光源的信号值,精确的照度值为: I]9 C_  
 q=4Bny0  
    Ec=k■es(4) /8c&Axuv  
X{\jK]O  
    对LED发光强度测量仪器的要求: QIK 9  
G\kpUdj}  
    (1)测量立体角要正确 orqJ[!u)`  
Jzex]_:1~  
    DΩ=0.001sr(a条件) .Y\EE;8%  
~=cmM  
    DΩ=0.01sr(B条件) `5l01nOxJ  
Ilq=wPD}j  
    (2)测量机械轴正确; o\!qcoE2W  
(>7>3  
    (3)有效的防杂散光设计; -c+]Wm"\  
X{Zm9T  
    (4)精密的V(λ)光探测器; iKAusWj  
|8U;m:AS  
    (5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; FFvCi@oT  
/{*$JF  
    (6)配备高稳定性的供电电源。 pj8azFZ  
fYX<d%?7  
    5.2LED光通量的测量 ppN} k)m  
qZ+H5AG2  
    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。 e fO jTA%  
(MLhaux-  
    (1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; z9 ($.  
c^9tYNn  
    (2)镀层表面反射比越大,球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中,镀层表面反射比甚至大于98%。 *9 D!A  
fk{0d  
    (3)注意被测LED的安装位置,应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域; J ^ G  
*y]+dK&-  
    (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 ~ap2m  
^+/kr/  
    5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 4XJiIa?  
lr3mE  
    根据国际照明委员会(CIE)三次LED国际专家会议的技术交流和相关国际对比结果,现建议如下: T?wzwGp-[  
Z :nbZHByh  
    (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; ,={t8lN  
X.V[0$.;  
    (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; eUBrzoCO  
^?GmrHC)  
    (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; 7o]HQ[xO  
!#N\ b  
    (4)主波长的对比测量差别很小; 46No%cSiG  
5?u}#zO  
    (5)ccD测量仪器相对误差较大。 =RsXI&&vh  
f.xA_Y>  
  图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 ;_+uSalt  
l=={pb  
6标准LED j6YiE~  
m%r/O&g  
    6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 ,6"l(]0  
D4u% 6R|F  
    (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。 K=\O5#F?3  
wkb$^mU  
^@6q  
    (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)。 Ng=ONh  
I'!/[\_  
    (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。 `/IKdO*!S  
h<l1U'Bn7  
    (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。 I4c!m_sr  
WO*9+\[v  
    (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 #x@eDnb_  
H9 tXSh  
    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。 WF2-$`x  
+OHGn;C  
    6.2对标准LED特性的要求 RHY4P4B<v>  
xge7r3i  
    (1)标准LED的工作温度一般大于环境温度,也有致冷的技术方案; el PE%'  
ip:LcGt  
    (2)标准LED的样品需要老化几百小时,选择其中的稳定者进行后期标定工作; ~mp0B9L%  
3Ofc\  
    (3)标准LED必须与测试样品具有同样的光谱功率分布,需要建立多种不同颜色的标准LED。特别是白光LED,由于它可由不同光谱组成,研制通用的白光LED标准几乎不太可能; rofNZ;nu  
Gc,_v3\  
    (4)标准LED必须与测试样品具有同样的发光强度分布曲线(配光曲线),如果待测LED的颜色(光谱)与标准LED(光谱)有差异,则需对光度探器进行光谱校正。 KY9n2u&4  
8y2+&#$  
    6.3应用标准LED测量的优点 #f,y&\Xmf  
$'wq1u  
    (1)不需要对光度探头进行光谱校正; 3iNkoBCg  
~Ci{3j :]  
    (2)不需要对光度计参考平面进行严格的定位。
zhouenzz 2010-04-12 10:53
了解光学特性
as57950370 2011-10-27 07:50
好贴!支持一下!
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