LED光学参数的测量技术与LED国家光度标准的研究

吕亮 姜晓梅 赵志丹 中国计量科学研究院

１、前言
　　近30年来，LED发光二极管的技术已经经历了飞速发展的过程。LED以其固有的高效率、长寿命、低损耗、耐振动、响应速度快等优点得到了广泛的应用，比如指示灯、显示屏、交通信号灯等，目前正在探索把它应用于照明领域。
由于我国还未建立LED光度标准，严重地影响了LED产品质量的提高和量值的统一，影响着国际贸易和国际间LED技术方面的交流和推广，因此，虽然近几年来我国的LED产品质量和品种有所提高，但与国外先进国家相比差距较明显。
在这种形势下，我们着手对LED光学参数的测量进行了细致的研究，并进行了LED国家光度标准的建立工作。

２、ＬＥＤ光参数介绍
　　LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。
２.１发光效率和光通量
　　发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。
２.２发光强度和光强分布
　　LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。
２.３波长
　　对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察现在我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。

３、ＬＥＤ光度测量原理
３．１光强度的测量方法
　　把光强标准灯，LED和配有V（λ）滤光片的硅光电二极管安装和调试在光具座上，特别是严格地调灯丝位置，ＬＥＤ发光部位及接受面位置。
　　先用光强标准灯校准硅光电二极管，Ｃ＝E/S
　　式中Ｅｓ＝IS/(d 2 s)
　　ｄｓ是标准灯与接受器之间的距离，Ｉｓ是标准灯的光强度，Ｒｓ是标准灯的响应。
　　Ｅｓ＝Ｃ·Ｒ ｔ 式中Ｅ ｔ 是被测ＬＥＤ的照度，Ｒ ｔ 是被测ＬＥＤ的响应，则ＬＥＤ的光强度Ｉ ｔ 为：Ｉ ｔ ＝Ｅ ｔ ·d 2 ｔ式中ｄ ｔ 是ＬＥＤ与接受面之距离。
　　对于ＬＥＤ来讲，其发光面是圆盖形状的，光分布是很特殊的，所以在不同的测量距离下，光强值会变化，偏离距离平方反比定律，即使固定了测量距离，但是由于接受器接受面积不同，其光强值也会变化。因此，为了提高测量精度，应该把测量距离和接受面积大小相对地给予固定为好。例如，测量距离按照ＣＩＥ推荐采用３１６ｍｍ，接受器面积固定为１０×１０ｍｍ。在同一测量距离下，ＬＥＤ转角不同其光强地有变化，因此为了获得最佳值，最好读出最大读数Ｒ ｔ 为佳。
３．２光通量的测量方法
　　光通量测量在变角光度计的转台上进行，转台上安转了ＬＥＤ，该转台在其水平面上绕着垂直轴旋转±９０度，ＬＥＤ在垂直面上绕着测光轴旋转３６０度。在水平面上和垂直面上的转角的控制是通过步进马达来实现的。转台在导轨上随意移动，当测量标准灯时，转台应离开导轨。
　　测量时大转盘在水平面上绕垂直轴旋转，步进角度为０.９°，正方向９０°，反方向９０°。ＬＥＤ自身也在旋转，在每一个水平角度下，垂直平面上每隔１８°进行一次信号采集，转完３６０°之后共采集到２０个数据，按下式计算总光通量。　　　　　

　　如果大盘旋转０°～９０°时，小盘转０°～３６０°即可。但是大盘旋转０°～９０°时，有可能ＬＥＤ安装不均匀（不对称）而引起误差，因此最好的解决办法是大盘转－９０°～０°～９０°，小盘仍然转０°～３６０°，把大盘０°～９０°和－９０°～０°两个范围内绝对值相等的角度上的照度值取平均值来作为０°～９０°内的值。
　　ＬＥＤ总光通量测量的第二种方法是积分求法。此方法的优点是简单易行，但测量精度不高。ＬＥＤ的总光通量计算方法如下，先计算离积分球入射窗口（入射窗口面积Ａ）１距离上标准灯（光强值Ｉ ｓ ）进入积分球内的光通量Φ ｓ ，Φ ｓ ＝Ｉ ｓ ·Ａ／Ｉ 2 读出接收器上的光电流信号ｉ s ，然后把ＬＥＤ置于窗口上，读出相应的接收器光电流信号i t ，则ＬＥＤ的总光通量Φ为：

　　式中Ｋ为色修正系数。

３．３ ＬＥＤ的光谱功率分布测量方法：
　　发光二极管的光谱功率分布测量，目的是掌握ＬＥＤ的光谱特性和色度，再者是为了对已测得的ＬＥＤ的光度量值进行修正。
在测量ＬＥＤ光谱功率分布时，应注意以下几点，一个是在与标准光谱辐照度进行比较时由于标准灯的光谱辐强度比ＬＥＤ强得多，为了避免这个问题，最好在标准灯前加一个中性滤光片，使它的光谱辐强度接近于ＬＥＤ。
　　ＬＥＤ的光谱宽度很窄，为了准确地描绘ＬＥＤ的光谱分布轮廓，最好采用窄带波长宽度的单色仪进行测量，波长间隔为１ｎｍ为好。
　　 按下式计算ＬＥＤ的光谱功率分布Ｅｔ。

　　式中ｉ是标准灯在波长ｉ处的响应；Ｅ是标准灯的光谱功率分布；ｉ是ＬＥＤ在波长λ处的响应。
　　ＬＥＤ的色坐标计算公式为：

色坐标为：
　　ｘ＝X/(X+Y+Z)
　　ｙ＝X/(X+Y+Z)
　　也可计算ＬＥＤ的主波长和色纯度。

４、结束语
　　目前ＬＥＤ的国家光度标准装置已建立并标定了相当数量的标准ＬＥＤ管，在此过程中我们积累了大量的经验，此后我们将对各级计量部门和全面ＬＥＤ生产单位进行量值传递，统一监督。这将对我国ＬＥＤ的质量水平的提高起到促进作用，也会为国家高科技领域的研究发展从一个方面提供保障。