LED光学特性检测的国内外进展

　　１ 概述

 　　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。

 　　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。

　　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∶ＴＣ １－６５，ＴＣ １－６２这两个研究色表的目视测量和ＬＥＤ的显色性的文件草案。

 　　ＴＣ １－ ６２文件《Ｃｏｌｏｕｒ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ》可能部分替代ＣＩＥ １３．３－１９９５出版物。这两个文件已进入投票阶段。

 　　ＴＣ １－ ６２文件《Ｃｏｌｏｕｒ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ》介绍了白光ＬＥＤ显色指数ＣＲＩ的目视实验结果。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 ｏｆ ＬＥＤＳ》正在投票中，它将会替代ＣＩＥ １２７出版物。

　　３ 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。 　　

　　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。

 　　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。

 　　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。

　　４ ＬＥＤ与传统光源的比较

　　（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）。

　　（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。

　　（３）ＬＥＤ光学参数与温度有关（如图６、图７所示）；

　　（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（如图８所示）。

　　ＬＥＤ的上述特性，给ＬＥＤ光学特性的测量带来很多问题。

　　５ 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；

　　（２）总光通量；

　　（３）光谱特性、色品坐标、主波长；

　　（４）发光强度的空间分布和总光通量。

　　５．１ 发光强度

 　　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。

 　　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。

　　对ＬＥＤ发光强度测量仪器的要求：

　　（１）测量立体角要正确ｄΩ＝０．００１ｓｒ（Ａ条件）ｄΩ＝０．０１ｓｒ（Ｂ条件）

　　（２）测量机械轴正确；

　　（３）有效的防杂散光设计；

　　（４）精密的Ｖ（λ）光探测器；

　　（５）提供Ｖ（λ）光探测器光谱数据，便于修正测量值；

　　（６）配备高稳定性的供电电源。

　　５．２ 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。

　　（１）积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差；

　　（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％。

　　（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；

　　（４）应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。

　　５．３ 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：

　　（１）国家计量部门应该采用双单色仪测量系统；

　　（２）单色仪测量系统可满足工业部门应用；

　　（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；

　　（４）主波长的对比测量差别很小；

　　（５）ＣＣＤ测量仪器相对误差较大。

　　６ 标准ＬＥＤ

　　６．１ ＬＥＤ光学特性测量的理论与技术基础

　　（１）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、色品坐标、主波长、色温等参数进行测量。

　　（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）。

　　（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。

　　（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。

　　（５）准确的标准ＬＥＤ光通量值可用分布式光度计测量确定。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。

　　６．２ 对标准ＬＥＤ特性的要求

　　（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；

　　（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；

　　（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；

　　（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。

　　６．３ 应用标准ＬＥＤ测量的优点

　　（１）不需要对光度探头进行光谱校正；

　　（２）不需要对光度计参考平面进行严格的定位，图13、图14是标准ＬＥＤ的应用。