LED光学特性检测的国内外进展
摘要: 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。
1概述 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 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。 探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数(CCF)的计算: Es=k■Ps(?姿)V(?姿)d?姿(1) Ps(?姿)为标准光源的相对光谱功率分布; Ec=k■Pc(?姿)V(?姿)d?姿(2) Pc(?姿)为待测光源的相对光谱功率分布; ■=■=k■(3) 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: Ec=k■Es(4) 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。 5.2LED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。 图12是一些国际对比结果:CCD仪器对白光LED的测量对比。 6标准LED 6.1LED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。 |
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