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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 :kd]n$]  
}$(\,SzW  
    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。 x_wWe>0  
v'r)d-T   
    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。 =RQI5 nHdw  
QI78/gT,d  
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 r^ABu_u(`I  
b|\dHi2F T  
    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。 v3<q_J'qT  
9q\_UbF  
    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。 fm q(!  
(D{J|  
    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。 D/hq~- g  
`O0y8  
3.LED发光效率极限值 QH?sx k2  
Fe.90)  
    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。 aDu[iaZ  
dAy\IfZX=  
    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: Z{?T1 =n  
 "+Sq}WR  
    1cD=(1/683)w/sr(波长555nm); %al 5 {  
Ei=rBi  
    1cD=1lm/sr; "akAGa!V+  
^sqzlF  
    1w=683lm(波长555nm)。 %.HLO.A  
)UyJ.!Fly  
    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。 dqO]2d  
{uJ"%  
  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。 "{zqXM}:C  
:39arq  
    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。 k(_OhV_  
_'*(-K5&  
    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。 q$Ms7 `a  
aX Ie  
    除了照明应用的白光LED外,各种光谱的LED的发光效率也可根据图2所示的数据进行估算。图3是红、绿、蓝(643nm,535nm,460nm)LED的极限发光效率值。 [6Sk>j  
-<M+$hK\  
4.LED与传统光源的比较 W>: MK-_ J  
ukRmjHbLf  
    (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)。 "yj_v\@4  
'`f+QP=`  
    (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。 =d]}7PO ~  
^Y5I OX:  
    (3)LED光学参数与温度有关(如图6、图7所示); |$~]|SK  
?Mn~XN4F_  
    (4)LED光学参数与观察角度有关; 9}Ge@a<j  
u7j,Vc'~  
    (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)。 k4E9=y?  
W=OryEV?  
    LED的上述特性,给LED光学特性的测量带来很多问题。 LXPO@2QF  
k!'+7K.  
5.LED光学特性的测量 p1 ("  
i ^2A:6}?  
    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑: 5)5yH bS  
VT=gb/W6)a  
    (1)发光强度; w0vsdM;G  
]E'?#z.t  
    (2)总光通量; dDD5OnWmJ  
4^ U%` 1  
    (3)光谱特性、色品坐标、主波长; A}&YK,$5ED  
P ?n k>  
    (4)发光强度的空间分布和总光通量。 'GiN^Y9dcc  
oN%zpz;OR  
    5.1发光强度 %r*,m3d  
DbX7?Jr  
    由于LED的结构特点,为提高其发光效率,在其底部配装反射器,实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点,它并不是一个点光源。因此,在评价LED发光强度时,光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件如图9、图10所示。 He}?\C Bo  
 |=![J?  
    应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。a和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行,因此被称为“平均发光强度”(ali)。 t%0c$c  
65*Hf3~~  
    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。 5SmJ'zFO  
\7pEn  
  探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(ccf)的计算: `H$=hr  
GIn%yB'  
    es=k■ps(?姿)V(?姿)D?姿(1) `!(%R k  
<5P*uZ  
    ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布;  + #E?)  
a|.IAxJ  
    Ec=k■pc(?姿)V(?姿)D?姿(2) )+=Kh$VbS  
 7Z<GlNv  
    pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; 7YK6e  
m^3j|'mG  
    ■=■=k■(3) I,HtW),  
FQ`1c[M@  
    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: *+2_!=4V  
;Bj&9DZd  
    Ec=k■es(4) X(rXRP#  
aDxNAfP  
    对LED发光强度测量仪器的要求: uOy/c 8`  
x(R;xB  
    (1)测量立体角要正确 2N]8@a  
3EY m@oZj  
    DΩ=0.001sr(a条件) /!A"[Tyt  
P8|ANe1 v  
    DΩ=0.01sr(B条件) V2M4g  
m%>}T 75C^  
    (2)测量机械轴正确; _nEVmz!zg  
}Nwp{["}]L  
    (3)有效的防杂散光设计; z,7;+6*=L  
U{LS_VI~  
    (4)精密的V(λ)光探测器; 3dLqlJ^7B  
/h.{g0Xc  
    (5)提供V(λ)光探测器光谱数据,便于修正测量值; p@uHzu7  
n:) [ %on  
    (6)配备高稳定性的供电电源。 N:k>V4oE  
e84%Y8,0  
    5.2LED光通量的测量 dv3u<XM~  
sP eTW*HeR  
    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。 Dm8fcD  
5|N`:h'9M  
    (1)积分球的尺寸尽可能大,可减少挡屏吸收及异物误差; q5-i=lw  
"`cPV){]  
    (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%。 3o/f, }_  
Kg"eS`-  
    (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'7;+.s(  
ID! S}D  
    (4)应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。 Zv=pS (9  
D1v0`od'  
    5.3光谱特性、色品坐标、主波长的测量 J5HK1  
[u2t1^#Ol  
    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: 8F`8=L NO  
q*` m%3{  
    (1)国家计量部门应该采用双单色仪测量系统; <OKc?[  
rxyeix  
    (2)单色仪测量系统可满足工业部门应用; g<M!]0OK  
svl!"tMXl  
    (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; "-dA\,G  
j|K;Yi  
    (4)主波长的对比测量差别很小; a|oh Ad  
HF_8661g  
    (5)ccD测量仪器相对误差较大。 kh2TDxa&  
LD5`9-  
  图12是一些国际对比结果:ccD仪器对白光LED的测量对比。 |Rkw/5  
SlR//h  
6标准LED *.k*JsU~B  
3Wv^{|^  
    6.1LED光学特性测量的理论与技术基础 jG;J qT  
~M} K]Li  
    (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。 DwGM+)!  
87+fd_G  
ckY#oRQ1  
    (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)。 j=M%*`@  
x< 2]UB`  
    (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。  HB'9&  
Z@&%"nO  
    (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。 SE^l`.U@  
j7gTVfO  
    (5)准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。 J9*;Bqzim  
Fb%?qaLmCv  
    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。 d<Q%h?E  
LDHu10l  
    6.2对标准LED特性的要求 8zj&e8&v  
js <Up/1  
    (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; `pZX!6Wn  
qAH^BrJ  
    (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; uK"FopUJ4i  
wLqj<ot  
    (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; ^tG,H@95  
W$NFk(  
    (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。 ?z l<"u  
O)VcW/  
    6.3应用标准LED测量的优点 *P`wuXn}  
#\Rxqh7  
    (1)不需要对光度探头进行光谱校正; md'wre3  
n~|?)EL  
    (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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