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LED光電性能及測試儀器

發(fā)布時(shí)間:2010-01-20

中心議題:
  • LED的結(jié)構(gòu)
  • LED的光電性能評價(jià)
解決方案:
  • 光通量和輻射通量
  • 光強(qiáng)和發(fā)光角
  • 光譜功率分布
  • 色品坐標(biāo)
發(fā)光二極管(LED)是一種把電能直接轉(zhuǎn)換成光的固體器件,它的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)等組成。目前,LED主要用于三大領(lǐng)域:

1)顯示:如指示燈、信號(hào)燈、警示燈、顯示屏等;

2)照明:手電筒、礦燈、定向照明燈、輔助照明燈等;

3)功能輻射:如生物分析、光療、光固化、植物照明等。

照明用LED與傳統(tǒng)光源相比,它有自身的優(yōu)勢和弱點(diǎn)。就目前的LED技術(shù)來看,它具有體積小、易集成化、壽命長、耐振動(dòng)、IP等級(jí)高、定向發(fā)光、熱輻射小等優(yōu)點(diǎn)。但也存在燈功率低、光通量小、光效不夠高、PN結(jié)散熱困難、光斑的亮度和色度均勻性差等不足。當(dāng)然,照明用LED剛剛起步,技術(shù)發(fā)展的潛力很大。要達(dá)到一般照明光源的要求還要經(jīng)過很多年的努力。

每一種光源都有其自身的特點(diǎn)。無論是白熾燈、熒光燈、金鹵燈、無極熒光燈、無汞熒光燈、以及照明用LED,都具有自身特有的光電性能,安全性能、環(huán)保性能及性價(jià)比。LED在照明的應(yīng)用中具有很強(qiáng)的潛在優(yōu)勢,應(yīng)用場合及市場份額會(huì)迅速擴(kuò)大,但也不能片面認(rèn)為LED將來會(huì)完全取代傳統(tǒng)光源。隨著照明科技的發(fā)展,對未來照明光源的評價(jià)不僅僅是著眼于光效范疇,還應(yīng)強(qiáng)調(diào)照明效果、光的舒適性、光的生物效應(yīng)、光的安全性評價(jià),以及環(huán)保性能、資源消耗的評價(jià)。

由于LED是一個(gè)定向輻射光源,帶有成像光學(xué)系統(tǒng),而且是帶狀光譜輻射源,因此在光電性能測試中,往往因測試方法不統(tǒng)一,儀器性能的差別大,操作不規(guī)范等等因素,難以得到比較一致、準(zhǔn)確的結(jié)果。我們根據(jù)LED芯片、材料、LED封裝、組合LED燈和燈具的各個(gè)階段的不同要求,針對LED特殊的光電特性,對關(guān)鍵的技術(shù)問題進(jìn)行深入的研究和攻關(guān),研制了一系列的LED專用檢測設(shè)備,并在許多工廠實(shí)際應(yīng)用,取得了較好的效果。

二、照明用LED的光電性能評價(jià)

照明用LED的光電性能主要包括電性能、光安全性能和光色性能等三個(gè)方面。

1.電流/電壓參數(shù)(正、反向)

LED的電性能具有典型的PN結(jié)伏安特性,不同的電流直接影響LED的發(fā)光亮度和PN結(jié)的結(jié)溫。在照明應(yīng)用中,為了獲得大功率的LED燈,往往將許多個(gè)發(fā)光二極管通過一定的串并聯(lián)方式組合在一起,相關(guān)的各個(gè)LED的特性必須匹配,在交流工作狀態(tài)還必須考慮其反向電特性,因此必須測試它們在工作點(diǎn)上的正向電流和正向壓降,以及反向漏電流和反向擊穿電壓等參數(shù)。

2.光通量和輻射通量

發(fā)光二極管單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的總電磁能量稱為輻射通量,也就是光功率(W)。對于照明用LED光源,我們更關(guān)心的是照明的視覺效果,即光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼感知的那部分當(dāng)量,稱作為光通量ΦV(1m)。光通量ΦV與輻射通量P之間的關(guān)系為:

上式中的P(λ)為光源光譜輻射通量;V(λ)為人眼的明視覺光譜光視效率函數(shù),λ2和λ1為上、下限波長。

輻射通量與器件的電功率之比表示LED的輻射效率;光通量與器件的電功率之比表示LED的發(fā)光效率,單位lm/W。由于LED是定向出射光,如果從照明效果來評價(jià),其照明性能更明顯。LED的出射光到達(dá)工作面的有效光通量與總光通量之比表示為LED的光利用系數(shù)。顯然照明用LED的光利用系數(shù)比普通各向發(fā)光的照明光源要高一些。
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3.光強(qiáng)和發(fā)光角

無論是應(yīng)用于顯示或照明工程的LED,其光強(qiáng)及其空間分布都是十分重要的參數(shù)。LED燈的定向發(fā)光特性,對于某些局部或定向照明往往會(huì)達(dá)到非常好的照明效果。LED的發(fā)光強(qiáng)度指在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量:
I=dΦ/dΩ(cd)

光強(qiáng)分布曲線是表示LED發(fā)光在空間各方向的分布狀態(tài)。在照明應(yīng)用中計(jì)算工作面的照度均勻性和LED燈的空間布置,光強(qiáng)分布是最基本的數(shù)據(jù)。對于空間光束為旋轉(zhuǎn)對稱型分布的LED,用一個(gè)過光束軸平面上的曲線表示即可。對光束為橢圓形分布的LED,則用過光束軸及橢圓形長短軸的兩個(gè)垂直平面上的曲線來表示。對于非對稱的復(fù)雜圖形,一般用過光束軸的六個(gè)以上截面的平面曲線來表示。

發(fā)光角(或光束角)通常用半強(qiáng)度角θ1/2表示,即在光強(qiáng)分布圖中光強(qiáng)大于等于峰值光強(qiáng)1/2時(shí)所包含的光束角度。

4.光譜功率分布

LED的光譜功率分布表示輻射功率隨波長的變化函數(shù),它既確定了發(fā)光的顏色,也確定了它的光通量以及它的顯色指數(shù)。通常用相對光譜功率分布S(λ)表示。光譜功率沿峰值兩邊下降到其值的50%時(shí),所對應(yīng)的兩個(gè)波長之差Δλ=λ2-λ1,即為光譜帶寬。

5.色品坐標(biāo)

任何一種光源的顏色均可以用CIE1931XYZ色度系統(tǒng)中的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)來表示,

對于彩色LED,用主波長和色純度則更能直觀地表達(dá)發(fā)光的顏色特性。LED的主波長表明了顏色的色調(diào),而色純度則代表了該顏色的鮮艷程度。

照明用LED的色品坐標(biāo)的容差范圍目前還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。建立幾種規(guī)格的LED色度范圍以及相應(yīng)的容差,對于統(tǒng)一LED的色度及在照明領(lǐng)域的推廣使用具有十分重要的意義,就目前的技術(shù)現(xiàn)狀,照明用LED存在三種技術(shù):

1)蘭光芯片,外面涂覆蘭光激發(fā)的黃綠熒光粉,為了降低色溫或改善顯色性,可再加入適量的紅色熒光粉;

2)紫外光芯片,紫外光激發(fā)紅、綠、蘭幾種混合熒光粉發(fā)光;

3)紅、綠、蘭三種芯片的組合,通過不同面積或電流的芯片組合,得到各種色溫的白光LED。

照明用LED的顏色均勻性及色度漂移是比較明顯的一個(gè)問題,尤其是蘭光芯片加熒光粉的LED,由于芯片上的熒光粉層不均勻,溫度引起的波長偏移及光衰、光輸出用封裝窗口材料對不同顏色光的色散等,不同方向的光束可能存在較明顯的色差。而紅、綠、蘭芯片組合的白光LED也存在類似問題,溫度對不同芯片的影響,芯片光衰的不一致及封裝材料對不同顏色芯片的色散等等,都會(huì)造成色度的不均勻和漂移。因此在照明用LED制造過程中,必須從設(shè)計(jì)到生產(chǎn),工藝各個(gè)環(huán)節(jié),對上述問題都要嚴(yán)格控制。

6.色溫和顯色指數(shù)

對于白光LED等發(fā)光顏色基本為“白光”的光源用色品坐標(biāo)可以準(zhǔn)確地表達(dá)該光源的表觀顏色。但具體的數(shù)值很難與習(xí)慣的光色感覺聯(lián)系在一起。人們經(jīng)常將光色偏橙紅的稱為“暖色”,比較熾白或稍偏蘭的稱為“冷色”,因此用色溫來表示光源的光色會(huì)更加直觀。

光源的發(fā)光顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí),則稱黑體的溫度為該光源的色溫(colortemperature)T,單位為開(K)。對于白光LED,其發(fā)光顏色往往與各種溫度下的黑體(完全輻射體)的色品坐標(biāo)都不可能完全相同,這時(shí)就不能用色溫表示。為了便于比較,而采用相關(guān)色溫(CCT)的概念。也就是當(dāng)光源的色品與完全輻射體在某一溫度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品圖上的色品差最小時(shí),則該完全輻射體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫R1。

用于照明工程的LED,尤其是白光LED,除表現(xiàn)顏色外,更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現(xiàn)出來的顏色與該物件在完全輻射(如日光)下的顏色是否一致,即所謂的顯色特性。

1974年CIE推薦了用“試驗(yàn)色”法來定量評價(jià)光源顯色性的方法,它是測量參照光源照明下和待測光源照明下標(biāo)準(zhǔn)樣品的總色位移量為基礎(chǔ)來規(guī)定待測光源的顯色性,用一個(gè)顯色指數(shù)值來表示。CIE規(guī)定用完全輻射體或標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為參照光源,并將其顯色指數(shù)定為100,還規(guī)定了若干測試用的標(biāo)準(zhǔn)色樣。

根據(jù)在參照光源下和待測光源下,上述標(biāo)準(zhǔn)色樣形成的色差來評定待測光源顯色性的好壞。光源對某一種標(biāo)準(zhǔn)色樣品的顯色指數(shù)稱為特殊顯色指數(shù)R1。
R1=100-4.6△Ei
式中△Ei為第i號(hào)標(biāo)準(zhǔn)色樣在參照光源下和待測光源下的色差。

CIE推薦的標(biāo)準(zhǔn)色樣共有14種。其1-8號(hào)為中等飽和度、中等明度的常用代表性色調(diào)樣品,第9至14號(hào)樣品包括紅、黃、綠、藍(lán)等幾種飽和色、歐美的皮膚色和樹葉綠色。在一些特殊場合使用的LED光源,必須考核其特殊的顯色指數(shù)。1985年國家制定了“光源顯色性評價(jià)方法”標(biāo)準(zhǔn),并增加了中國人女性膚色的色樣,作為第十五種標(biāo)準(zhǔn)色樣。這對于評價(jià)在電視演播室、商場、美容場所等照明用LED光源的顯色性尤為重要。

光源對前8個(gè)顏色樣品的平均顯色指數(shù)稱為一般顯色指數(shù)Ra。
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