LED光源与光学特性检测 [2]

　　CIE 13.3-1995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，CIE CRI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CIE CRI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TC 2-45研究LED的测量方法：TC 2-45文件《Mea-surement ofLEDS》正在投票中，它将会替代CIE 127出版物。

　　5.LED发光效率极限值

　　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。

　　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540.0154×1012Hz(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：

　　1cd=(1/683)W/sr(波长555nm);1cd=1lm/sr;1W=683lm(波长555nm)。

　　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。

　　人眼光谱光效率与理想等能白光的光谱功率分布不尽相同。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。

　　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，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。

　　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。

　　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数据进行估算。红(643nm)、绿(535nm)、蓝(460nm)的LED作为三基色，其极限发光效率值也可根据数据进行估算。

　　6.LED与传统光源的比较

　　LED与传统光源的比较有以下特点：

　　(1)LED体积小，有各种不同的外形尺寸，适用于不同应用场所。

　　(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。

　　(3)LED光学参数与温度有关;(4)LED光学参数与观察角度有关;(5)LED有各种不同的配光曲线，而且没有确定的光轴。

　　LED的上述特性，给LED光学特性的测量带来很多问题。

　　7.LED光学特性的测量

　　LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑：

　　(1)发光强度(cd)

　　光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为cd，它表示光源在某单位球面度立体角(该物体表面对点光源形成的角)内发射出的光通量。1cd = 1lm/1sr(sr：立体角的球面度单位)。

　　LED的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时，则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光强度小，所以发光强度常用烛光(坎德拉，mcd)作单位。

　　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。

　　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)。

　　关于测量探测器的修正：由于测量探测器的配匹误差将造成“平均发光强度”(ALI)的测量误差，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。

　　对LED发光强度测量仪器的要求：

　　A.测量立体角要正确dΩ=0.001sr(A条件)dΩ=0.01sr(B条件)。

　　B.测量机械轴正确;C.有效的防杂散光设计;D.精密的V(λ)光探测器;E.提供V(λ)光探测器光谱数据，便于修正测量值;F.配备高稳定性的供电电源。

　　(2)总光通量(lm)

　　由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。光通量用符号Φ表示，单位为流明(lm)。

　　LED光通量的测量，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。

　　A.积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差;B.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%。

　　C.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;D.应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。

　　(3)光谱特性、色品坐标、主波长测量

　　光谱特性、色品坐标、主波长的测量，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：

　　A.国家计量部门应该采用双单色仪测量系统;B.单色仪测量系统可满足工业部门应用;C.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;D.主波长的对比测量差别很小;E.CCD测量仪器相对误差较大。

　　(4)发光强度的空间分布和总光通量

　　(5)亮度(cd/m2)

　　亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度。单位为坎德拉/平方米[cd/m2]，符号为L，表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，它等于1平方米表面上发出1坎德拉的发光强度。

　　(6)色温(Co1or Temperature)

　　当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K表示。当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体的温度就称为该光源的相关色温。

　　8.标准LED

　　(1)LED光学特性测量的理论与技术基础

　　A.根据以上对LED光学特性的分析，国家计量部门和工业界可应用常规的光度、色度及辐射度仪器对LED的总光通量、光谱特性性、色品坐标、主波长、色温等参数进行测量。