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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 z79L2lJn  
9[5NnRv$P  
    自1976年第一个红光LED问世以来,经过30年的发展,LED已形成各种光谱系列产品,单个LED的功率也从最初的零点零几瓦发展至几瓦乃至数十瓦。2001年白光LED研制成功,人们期待LED最终能进入照明领域,甚至进入家庭照明。最新白光LED的研究成果更是激动人心。小功率LED的发光效率已达100lm/W。特别是RGB-LED的研究结果表明,LED也与常规三基色荧光灯一样,可以获得各种不同的色温和均匀的照明环境。 vj0`[X   
s%]-Sw9  
    LED光源的进展和人们对它在照明领域中应用的期待,也对相应的光学检测技术有了新的要求。由于LED的光学特性与传统光源有较大差别,需要研究开发适应这种新型光源的测量方法。 W.p->,N  
%o< &O(Y  
2.国际照明委员会(CIE)技术委员会(TC)相关LED的技术特性研究 :0ND0A{K:  
q|2{W.P5qi  
    国际照明委员会(CIE)的两个分部:D1(视觉和颜色分部)、D2(光和辐射测量分部),正在研究白光LED的显色性和相关的计量问题,并已转发D1∶TC1-65,TC1-62这两个研究色表的目视测量和LED的显色性的文件草案。 `xe[\Z2  
9,5v%HZ  
    TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》可能部分替代CIE13.3-1995出版物。这两个文件已进入投票阶段。 +AyQ4Q(-o  
Y5LESZWo  
    TC1-62文件《colourRenDerinGofwhiteLEDliGhtsources》介绍了白光LED显色指数cRi的目视实验结果。CIE13.3-1995出版物中规定了cRi的计算方法,如果白光LED对cRi进行计算的结果与目视结果有矛盾,文件确定存在这一矛盾。技术报告的结论是:应用包括白光LED在内的显色性计算时,CIEcRi并不适用。技术委员会建议D1建立一组新的显色指数,这些显色指数不立即替代目前的CIE显色指数计算方法。新的显色指数作为CIEcRi的补充,在成功地应用组合新的显色指数后才能确定替代目前cRi的计算方法。D2成立专门的技术委员会TC2-45研究LED的测量方法:TC2-45文件《mea-suremEntofLEDs》正在投票中,它将会替代CIE127出版物。 ZTd_EY0q  
C|"T!1MlY4  
3.LED发光效率极限值 XboOvdt^|  
lj%8(Xu  
    长期以来,半导体研究专家探索各种新技术以提高LED的内、外量子效率,2006年已有小功率白光LED发光效率达100lm/w的报导。为确定合理的LED发光效率期待值,需要从光度学、色度学的基础上计算LED发光效率极限值。 D+rDgrv  
]>E9v&X0  
    1979年10月,第十届国际计量大会(cGpm)定义了新坎德拉(cD)。坎德拉(cD)为发出单色辐射频率540.0154x1012HZ(波长555nm)的光源在给定方向上的发光强度,在该方向上的辐射强度为: [$?S9)Xd  
S}e*~^1J  
    1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); Bt,qG1>$-  
0<{/T*AU:  
    1cD=1lm/sr; lsW.j#yE!  
QHr 3J  
    1w=683lm(波长555nm)。 'N='B<^;%  
6 6x} |7  
    如果忽略供电损耗、内量子效率、外量子效率数值,可以计算出各种光源和LED的发光效率极限值。 KtY~Y  
&{&lCBN  
  图1为人眼光谱光效率及理想等能白光的光谱功率分布。由于人眼的光谱响应特性,理想等能白光经加权计算后,可以得到在可见光谱范围内的理想等能白光极限发光效率为182.45lm/w。 aVuan&]*=  
)ACa0V>*p  
    在照明领域中,一种新型光源的诞生,其寿命、光效是重要的质量指标,但它对各种颜色的显色特性是照明光环境的另一重要质量指标。低压钠灯的2条黄色光谱线的理论发光效率可达450lm/w(如图2所示),实际光效超过200lm/w。但由于它的显色特性差,最终被高压钠灯、金卤灯所替代。 v)N6ZOj*C  
 9 N=KU  
    考察LED这一新型光源,在牺牲一些显色性指数Ra的条件下与理想等能白光比较,白光LED的极限发光效率还会高一些,大约在200lm上下。对于一个实际应用于照明领域中的白光LED,发光效率的目标值设定在150~160lm/w是合理的。 m|~,#d@  
c%pW'UE&  
    除了照明应用的白光LED外,各种光谱的LED的发光效率也可根据图2所示的数据进行估算。图3是红、绿、蓝(643nm,535nm,460nm)LED的极限发光效率值。 O~d!* A  
eJ{"\c(  
4.LED与传统光源的比较 < Q\`2{  
lGG1d  
    (1)LED体积小,有各种不同的外形尺寸,适用于不同应用场所(如图4所示)。 #CV(F$\1{  
"+nURdicO  
    (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。 dG7sY O@U  
4)2*|w  
    (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); %9mB4Fc6b)  
0x^$q? \A  
    (4)LED光学参数与观察角度有关; d;lp^K M  
TOMvJ>bF  
    (5)LED有各种不同的配光曲线,而且没有确定的光轴(如图8所示)。 c}Z,xop<P{  
+6<MK;  
    LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 3Un/-4uL  
[$[t.m  
5.LED光学特性的测量 +Q-~~v7,  
@{I55EQ]  
    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: .U5+PQN  
f+xGf6V  
    (1)发光强度; @T/C<-/:  
n^&QOII@>  
    (2)总光通量; 8GlH)J+kq  
gK)B3dH*&  
    (3)光谱特性、色品坐标、主波长; xDADJ>u2K  
^D4b\mF  
    (4)发光强度的空间分布和总光通量。 0 SKt8pL`  
T>f-b3dk  
    5.1发光强度 l'16B^  
iT^lk'?{O  
    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。 PY z | d  
K&|zWpb  
    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)。 '[-H].-!   
D@ =.4z  
    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。 ? !~au0  
:+Dn]:\  
  探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: ) ]~HjA;  
;prp6(c  
    es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) +#B%YK|LR  
(/*-M]>  
    ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; &OzJ^G\o  
;'o>6I7Ph  
    Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) vN4X%^:(  
p$9N}}/c  
    pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; :cC`wX$  
-;~_]t^a  
    ■=■=k■(3) ?q,x?`|(8  
0]HK (,/h  
    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: T3?kabbF  
H`io|~Q  
    Ec=k■es(4) xq~=T:>/A  
1}ToR=  
    对LED发光强度测量仪器的要求: W\KZFrV@  
@~N#)L^  
    (1)测量立体角要正确 y4?>5{`W  
?5GjH~  
    DΩ=0.001sr(a条件) dO8Z {wfs  
X*Q7Yu  
    DΩ=0.01sr(B条件) g)p[A 4  
A|a\pL`@  
    (2)测量机械轴正确; Tf[ ]vqa`G  
s~63JDy"E  
    (3)有效的防杂散光设计; DHJnz>bE  
gTQ6B,`/8  
    (4)精密的V(λ)光探测器; ix/uV)]k`  
_|Dt6  
    (5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; jyT(LDsS  
:iWV:0)P  
    (6)配备高稳定性的供电电源。 c`jTdVD  
tllg$CQ5  
    5.2LED光通量的测量 2 rBF<z7  
j68Gz5;j  
    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。 4Sl^cKb$7  
"yz@LV1  
    (1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; r-0 7!A  
E nUo B<  
    (2)镀层表面反射比越大,球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中,镀层表面反射比甚至大于98%。 4C[gW  
W ][IHy<   
    (3)注意被测LED的安装位置,应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域; M1>a,va8Zq  
(J;?eeP  
    (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 =1JRu[&]8  
rLXn35O  
    5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 'qD9k J`  
i'u;"ot=  
    根据国际照明委员会(CIE)三次LED国际专家会议的技术交流和相关国际对比结果,现建议如下: *>#cs#)  
z&:[.B   
    (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; h}d7M55#|  
Umd!j,  
    (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; EtcamI*`  
^49moC-  
    (3)1nm和5nm光谱测量带宽的色度测试结果比较接近,可采用5nm带宽测量; A y`a>:p  
Nl8Cctrf  
    (4)主波长的对比测量差别很小; 3HiW1*5W  
~@O4>T+VW  
    (5)ccD测量仪器相对误差较大。  y1saE  
e8#3Y+Tc  
  图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 E}GSii%S  
O*PHo_&G  
6标准LED g\Z k*5(  
=1(BKk>  
    6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 PLyu1{1" z  
1W8W/Y=hT  
    (1)根据以上对LED光学特性的分析,国家计量部门和工界可应用常规的光度、色度及辐射度仪器对LED的总光通量、光谱特性、色品坐标、主波长、色温等参数进行测量。 f:SF&t*  
i@6 /#  
@W,Y_8:  
    (2)对于LED发光强度的测量,由于LED发光特性不遵循光度学的距离平方反比定律,CIE127文件推荐采用a,B条件测量LED平均发光强度(ali)。 &Y>u2OZ  
ig,|3(  
    (3)为了提高平均发光强度、光通量等量值传递过程中测量的不确定度和提高测量效率,CIE建立了TC2-45、TC2-46、TC2-50等技术委员会,开展相关的研究和评价工作,以及对标准LED的研究。 -a[{cu{  
O o:jP6r  
    (4)光度学、色度学、辐射度学的基本理论是LED的测量基础。标准a光源是测定标准LED光谱功率分布特性的重要基准。 _7<U[63  
P:TpB6.=q  
    (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 ]3,0 8JW=  
q  ha1b$  
    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。 2I<T<hFW]  
@rMW_7[y  
    6.2对标准LED特性的要求 C"{on%  
6b|`[t  
    (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; ?Sqm`)\>4  
85 hYYB0v  
    (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; 75HL  
a*hThr+$M  
    (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; rZv+K/6*M  
E-D5iiF  
    (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。 (`u!/  
#77UKYj2L-  
    6.3应用标准LED测量的优点 |DD?3#G01  
pYG,5+g  
    (1)不需要对光度探头进行光谱校正; D2p6&HNT  
c5R{Sl  
    (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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