普通照明用LED光源的特性
1、概述
近年來LED的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用飛速發(fā)展。藍光LED的發(fā)明使得LED應(yīng)用于普通照明領(lǐng)域成為了可能,伴隨著高效、大功率LED技術(shù)的不斷突破,LED將最有可能成為本世紀應(yīng)用最廣泛的照明光源。
中國政府和國際社會均對LED的發(fā)展給予了極大關(guān)注。國際照明委員會(CIE)第二分部即光和輻射測量分部(Division2:Measurement of Light and Radiation)專門針對LED的特性測量問題,已舉行了兩次由全球最著名的、最有代表性的專家參加的研討會議,并取得了一定的成果。但LED的物理測量問題,至今尚未全部解決。2004年6月CIE在日本再次舉行CIE LED專家研討會(CIE LED Expert Symposium),進一步探討了LED的特性測量問題。
對于LED的特性,因其應(yīng)用領(lǐng)域的不同需進一步統(tǒng)一認識,半導(dǎo)體行業(yè)和照明行業(yè)對LED的認識存在著明顯的差別,用于指示(包括顯示)目的LED的特性和用于照明目的LED的特性也有所不同,相應(yīng)的物理測量方法和質(zhì)量評估方法也各不相同,使用的儀器也存在著一定的差別,各實驗室的測試條件也不盡相同。
由于上述原因,各實驗室對同一LED給出不同的測量結(jié)果是經(jīng)常發(fā)生的事。本文主要介紹照明LED的特性測量,介紹CIE在LED測量方面已取得的成果、 CIE第二分部(Division2)專家較為普遍認同的物理測量方法、以及基于現(xiàn)有CIE技術(shù)文件的專用測量儀器,并給出了典型的普通照明用LED光源的較為完整的物理測量報告。
2、普通照明用LED光源及其特性
普通照明LED,俗稱“白光”LED。目前實現(xiàn)白光LED主要有兩條途徑:第一,用LED發(fā)出的藍光激發(fā)熒光粉,再與熒光粉發(fā)出的“黃光”進行混光,最終得到白光;第二,用紅、、綠、藍三種不同的LED進接混光,得到白光。
普通照明用LED光源的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示。
無論是單個封裝好的LED還是由LED串組成的LED光源,它都不是物理學(xué)上最容易理解和描述的點光源或朗伯光源,它是由多個等效點光源所組成的分散的點光源(象:虛象和實象均存在,一般多數(shù)為虛象)的集合。LED光源所對應(yīng)的特定的點光源集合有著共同的特征:
(1)、在近場的不同距離下,其光強分布是不相同的;
(2)、在某一特定角度上(如法向),其近場發(fā)光強度不是恒定的,因而,照度隨距離平方成反比定律不成立;
(3)、由于LED芯片與封裝透鏡的位置敏感性和LED芯片的不對稱性,LED光源在不同的C平面上有不同的光強分布曲線;
(4)、目前已進入工業(yè)化生產(chǎn)的“白光”LED,其光譜混合是不均勻的,其顏色分布像光強分布曲線一樣,是隨距離和角度的不同而發(fā)生變化的,尤其是pcLED,往往存在一個色溫很高的藍色色中心。
3、普通照明用LED光源的測量方法和儀器
正是由于普通照明用LED光源存在著上述特性,其測量和品質(zhì)評價就需要特定的方法和專用的設(shè)備儀器來解決。CIE制定了一些LED測量方面的標準,一些標準還在制定之中,部分標準將成為CIE/ISO以及CIE/IEC的聯(lián)合標準,以統(tǒng)一國際間LED測量問題。中國雖然只有為數(shù)不多的科技工作者在從事 LED測量工作,但中國的LED測量方法和儀器一直在跟蹤世界最新動態(tài),并受到了CIE的重視。下面逐個介紹照明LED主要特性的物理測量方法與儀器。
3.1 平均法向光強的測量
平均法向光強是最常用的LED質(zhì)量指標,CIE Publication No.127-1997給予了明確的規(guī)定和描述,圖4明確表達了基本的測量方法,圖5為基于CIE Publication No.127的測量儀器,該儀器除能同時實現(xiàn)CIE Condition A、B外,還能讓被測LED轉(zhuǎn)動角度,實現(xiàn)在不同角度下測量LED平均光強。
3.2 平均光強分布曲線和絕對光強分布曲線的測量
事實上只要讓圖4中的LED以前面的頂點為中心沿θ角轉(zhuǎn)動起來,在不同θ角下記錄照度值,再根據(jù)距離平方反比定律計算出平均光強,那么所得的曲線即分別為在CIE Condition A、B下的平均光強分布曲線。
盡管上文已表述了LED不符合點光源的特性,不滿足距離平方反比定律,但當(dāng)距離足夠大時,如:LED光源所對應(yīng)的特定的點光源集合(象)的10倍,則距離平方反比定律又恢復(fù)為符合,由于此時探測器口徑所形成的張角已足夠小,“平均”一詞已不再重要,并可以加上“絕對”一詞,但一般可省略。圖6是某1W照明 LED分別在CIE Condition A、B下的光強分布曲線。
特別需要注意的是,在測試LED平均和絕對光強分布曲線時一定要注意被測平面的選取,為了方便起見,本文定義LED引角中心所決定的平面為CO°平面,并在此平面上測量光強隨θ角分布情況。在遠距離(點光源條件下)的測試可能會涉及到較高靈敏度的寬線性動態(tài)范圍的光照度計,這是相對較為昂貴的儀器,測試環(huán)境要求也相對較高。相關(guān)測試儀器如圖7所示。
此外,由于LED光源是一種窄帶光譜的光源,根據(jù)CIE Publication No.127的要求,對探測器進行按式(1)所述的SCF修正是必要的,但是實驗表明,優(yōu)質(zhì)V(λ)探測器在對普通照明用LED光源測量時,即使不修正也能得到滿意的結(jié)果,其不確定度可以做到±3%甚至更好。
3.3 光通量和顏色的測量
由于普通照明用LED光源所發(fā)出的光的光譜存在不均勻性,在測量LED顏色特性時應(yīng)進行充分的混光,否則測量結(jié)果無法統(tǒng)一,因此對普通照明用LED光源而言,所測得的顏色嚴格地講應(yīng)是總平均值(totalaverage color)在積分球中測量光通量的同時測量顏色是較為合理的。中國在LED光通量和顏色測量方面有其獨到之處,除遵守CIE一般的關(guān)于光和顏色測量出版物的規(guī)定外,中國在光通量和顏色測量時,還將積分法和分光法有機結(jié)合(簡稱“結(jié)合法”),這一創(chuàng)造性技術(shù)已申請專利。
本系統(tǒng)按CIE Publication No.84-1989的要求用Si-V(λ)探測器測量光通量,這種方法測量光通量有很好的寬線性動態(tài)范圍。按CIE Publication No.63-1984用由單色儀和PMT構(gòu)成的分光法測量照明LED的光譜功率分布,然后用CIE Publication No.127-1997中所述的SCF修正方法,實時自動較準Si- V(λ)探測器測量光通量系統(tǒng)。其修正系數(shù)為:
∫780380PTe(λ)•V(λ)•dV ∫ 780380Pse(λ)• R(λ)•dλ
SFC = ——------—————————— • ————---------————————
∫780380PTe(λ)•R(λ)•dV ∫ 780380Pse(λ)•V(λ)•dλ
(1)式中:PTe(λ)為被測光源的相對光譜功率,文章中應(yīng)為普通照明用LED光源;
Pse(λ)為標準燈(通常為白熾燈或鹵鎢燈)的相對光譜功率;
document.write();xno = xno+1;
R(λ)為Si-V(λ)探測器相對光譜靈敏度,包括積分球等效光譜透過率;[Page]
V(λ)為CIE光譜光視效率函數(shù);
SCF為光譜失配校正系數(shù)。
在此系統(tǒng)中SCF的校正是十分容易的,因此光通量測量有極好的動態(tài)范圍和測量精度,用單一標準燈實現(xiàn)對系統(tǒng)的高精度校正成為了可能。同時,系統(tǒng)又具備了與普通光譜法在小動態(tài)范圍內(nèi)(要求被測燈與標準燈光通量基本接近的苛刻條件)相同的異譜誤差。如圖9所示,結(jié)合法比普通光譜法的線性動態(tài)范圍高5個數(shù)量組為由于在普通光譜法中,至少還要留出3個數(shù)量級的動態(tài)范圍來掃描光譜相對功率分布,所以用標準燈定標好的普通光譜法的精度線必范圍僅為1-2個數(shù)量級,是極其狹窄的。
由于照明LED的功率不斷增大,單個LED和LED串均需測量(要求儀器動態(tài)范圍大),而且LED的光譜分布又較為特殊,因此,結(jié)合法測量普通照明用LED光源的光通量和顏色的優(yōu)勢更為明顯。
4、討論
4.1 關(guān)于CIE Condition A和B
一般常用照度計的測量量程的最小值為0.1 lx,在100mm和316mm處所對應(yīng)的光強分別為1mcd和10mcd,而以前的小功率LED的光強一般在1-2000mcd之間。因此,CIE Publication No.127-1997制定 Condition A和Condition B十分有利于LED法向光強的簡便測量。
如今照明大功率LED不斷被開發(fā)應(yīng)用,照明用單個LED的功率已從幾十mW向幾W發(fā)展,提高了兩個數(shù)量級,且發(fā)光效率也在不斷提高,因此,LED平均法向光強有望提高2-3個數(shù)量級,這意味著1-1000cd的LED將更為常見。假如是這樣,建議將CIE Condition A和B中的測量距離改為1m或3.16m,這一改動不僅普通的照明度計可以方便地測量照明LED,而且測量對照度計的孔徑(靈敏面積)也不必作出嚴格的限定,測得的光強也不再是近場光強,距離平方反比定律因此又能恢復(fù)使用,測得的光強可改“平均”為“絕對”法向光強,測量結(jié)果對測試儀器的依賴性進一步減弱,更有利于國際間在工業(yè)和商貿(mào)中對LED的品質(zhì)評定。
4.2 照明LED測量儀器的定標和標準燈
用LED作為二次標準光源對儀器進行定標,還是用常規(guī)的白熾燈類的標準燈對儀器進行定標,是一直被討論的問題。作者認為條件較好的實驗室應(yīng)以白熾燈類的標準燈來對儀器進行定標,尤其是能精確測試SCF值的實驗室,因為白熾燈類的標準燈有更好的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。但對于條件較差的工廠和車間,用已被精確測定的同類型的LED來定標儀器,是一種非常實用的方法,使有時一定要注意LED的幾何條件和環(huán)境溫度。
4.3 測量LED光強時的定位基準
在測量光強和光強分布時,LED光源的定位基準十分重要,CIE No.127-1997雖已明確以機械軸心和前部頂點作為定位基準,但是由于LED光源的尺寸較小,實際操作時還是會導(dǎo)致由于定位誤差而引起的較大測量誤差,因此,是否以峰值光強軸心為參照定位基準更好,是值得進一步探討的問題。
4.4 LED測試的環(huán)境條件
在LED測試中,除供電應(yīng)用恒流方式外,幾何條件和環(huán)境溫度條件顯得極為重要。如果在測量光強分布曲線時,不注意被測量的平面,或雖是同一平面但機械軸心對準出了問題,那么出現(xiàn)±20%甚至更大的誤差是完全有可能的。
此外,LED光源是一個溫度依賴性較強的光源,溫度的上升可能會導(dǎo)致LED發(fā)光峰值波長的紅移和光輸出的快速衰減,因此,在LED測試中保持對環(huán)境溫度的有效控制(如用恒溫積分球),或?qū)ED自身溫度的監(jiān)測是十分有意義的。這也是確保測量結(jié)果能夠復(fù)現(xiàn)的最重要的條件之一。
5、結(jié)論
用上述測量方法和儀器對普通照明用LED的光源進行反復(fù)測試可實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。這表明:在CIE現(xiàn)有文件的框架下,根據(jù)LED的獨特特性,少量修正和調(diào)整某些CIE測量方法和條件,并進一步制訂相應(yīng)的CIE推薦方法,其普通照明用LED的特性測量問題是完全可以解決的。
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