LED光源與光學特性檢測

標簽：LED 照明 光源

1.概述

led作為新型光電發(fā)光器件，由于它的低碳環(huán)保體積小重量輕成本低壽命長的優(yōu)勢，正越來越受到人們的追捧，發(fā)展勢頭異常迅猛，是光電專家所始料不及的。LED不但廣泛應用作于各種照明光源，指示標記燈，而且還大批量用于LCD的背光源，大有取代傳統(tǒng)的熒光燈管而成為LCD電視的新寵。此外，LED還可以作為許多測量儀器的光源。

完全意義上的LED電視發(fā)展也很快，雖然它現(xiàn)在大多用于戶外，由于他的高亮度和逼真的色彩以及動態(tài)效果極佳，走進千家萬戶也只是時間問題。因此，讓我們全面認識LED這個新型小伙伴，就顯得十分緊迫。

自1976年第一個紅光LED問世以來，經(jīng)過30年的發(fā)展，LED已形成各種光譜系列產(chǎn)品，單個LED的功率也從最初的零點零幾瓦發(fā)展至幾瓦乃至數(shù)十瓦。2001年白光LED研制成功，人們期待LED最終能進入照明領域，甚至進入家庭照明。最新白光LED的研究成果更是激動人心。

小功率LED的發(fā)光效率已達100lm/W。特別是RGB-LED的研究結果表明，LED也與常規(guī)三基色熒光燈一樣，可以獲得各種不同的色溫和均勻的照明環(huán)境。

LED光源的進展和人們對它在照明領域中應用的期待，也對相應的光學檢測技術有了新的要求。由于LED的光學特性與傳統(tǒng)光源有較大差別，需要研究開發(fā)適應這種新型光源的測量方法。

2.LED光源

LED(Light-Emitting-Diode中文意思為發(fā)光二極管)是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。據(jù)分析，LED的特點非常明顯，壽命長、光效高、無輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可達80～90%。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W，壽命小于2000小時，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/W，壽命小于8000小時，T5熒光燈則為96lm/W，壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED為20～28lm/W，壽命可大于100000小時。有人還預測，未來的LED壽命上限將無窮大。

大功率，指發(fā)光工率大，一般指0.5W，1W 3W 5W或更高的。光強與流明是比小功率大，但同樣散熱也很大，現(xiàn)在大功率都是單顆應用，加很大的散熱片。小功率一般是0.06W左右的。插件和食人魚等。現(xiàn)在LED手電一般是用小功率用的，光散不散，取決于LED的發(fā)光角度，有大角度小角度之分，小角度不散，大角度才散。

LED的亮度是跟LED的發(fā)光角度有必然關系的，LED的角度越小它的亮度越高。 如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百MCD，如果是15度角的亮度就要去到一萬多兩萬MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了，如果是用于照明用的，在戶外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個功率有1W，3W，5W，還有的是用多個大功率組合成一個大功率的LED，功率去到幾百都有。

LED的發(fā)光原理

LED(Light Emitting Diode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。

而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結材料決定的。

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復合而發(fā)光。

假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數(shù)μm以內產(chǎn)生。

理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度Eg有關，即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產(chǎn)生可見光(波長在380nm紫光～780nm紅光)，半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。

3.LED的分類

(1)按發(fā)光管發(fā)光顏色分

按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。

根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。

(2)按發(fā)光管出光面特征分

按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1;把φ5mm的記作T-1(3/4);把φ4.4mm的記作T-1(1/4)。

由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。

從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：

A.高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。

B.標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

C.散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

(3)按發(fā)光二極管的結構分

按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。

(4)按發(fā)光強度和工作電流分

按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發(fā)光強度100mcd);把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下(亮度與普通發(fā)光管相同)。

4.LED光學特性研究

國際照明委員會(CIE)技術委員會關于LED的技術特性的研究分為兩個分部。即：視覺和顏色分部(D1)和光和輻射測量分部(D2)。白光LED的顯色性和相關的計量問題正在研究，并已轉發(fā)D1∶TC1-65，TC1-62這兩個研究色表的目視測量和LED的顯色性的文件草案。

TC1-62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》可能部分替代CIE 13.3-1995出版物。這兩個文件已進入投票階段。

CIE 13.3-1995出版物中規(guī)定了CRI的計算方法，如果白光LED對CRI進行計算的結果與目視結果有矛盾，文件確定存在這一矛盾。技術報告的結論是：應用包括白光LED在內的顯色性計算時，CIE CRI并不適用。技術委員會建議D1建立一組新的顯色指數(shù)，這些顯色指數(shù)不立即替代目前的CIE顯色指數(shù)計算方法。新的顯色指數(shù)作為CIE CRI的補充，在成功地應用組合新的顯色指數(shù)后才能確定替代目前CRI的計算方法。D2成立專門的技術委員會TC 2-45研究LED的測量方法：TC 2-45文件《Mea-surement ofLEDS》正在投票中，它將會替代CIE 127出版物。中國照明網(wǎng)技術論文·電光源

5.LED發(fā)光效率極限值

長期以來，半導體研究專家探索各種新技術以提高LED的內、外量子效率，2006年已有小功率白光LED發(fā)光效率達100lm/W的報導。為確定合理的LED發(fā)光效率期待值，需要從光度學、色度學的基礎上計算LED發(fā)光效率極限值。

1979年10月，第十屆國際計量大會(CGPM)定義了新坎德拉(cd)?？驳吕?cd)為發(fā)出單色輻射頻率540.0154×1012Hz(波長555nm)的光源在給定方向上的發(fā)光強度，在該方向上的輻射強度為：

1cd=(1/683)W/sr(波長555nm);1cd=1lm/sr;1W=683lm(波長555nm)。

如果忽略供電損耗、內量子效率、外量子效率數(shù)值，可以計算出各種光源和LED的發(fā)光效率極限值。

人眼光譜光效率與理想等能白光的光譜功率分布不盡相同。由于人眼的光譜響應特性，理想等能白光經(jīng)加權計算后，可以得到在可見光譜范圍內的理想等能白光極限發(fā)光效率為182.45lm/W。

在照明領域中，一種新型光源的誕生，其壽命、光效是重要的質量指標，但它對各種顏色的顯色特性是照明光環(huán)境的另一重要質量指標。低壓鈉燈的2條黃色光譜線的理論發(fā)光效率可達450lm/W，實際光效超過200lm/W。但由于它的顯色特性差，最終被高壓鈉燈、金鹵燈所替代。

考察LED這一新型光源，在犧牲一些顯色性指數(shù)Ra的條件下與理想等能白光比較，白光LED的極限發(fā)光效率還會高一些，大約在200lm上下。對于一個實際應用于照明領域中的白光LED，發(fā)光效率的目標值設定在150～160lm/W是合理的。

除了照明應用的白光LED外，各種光譜的LED的發(fā)光效率也可根據(jù)數(shù)據(jù)進行估算。紅(643nm)、綠(535nm)、藍(460nm)的LED作為三基色，其極限發(fā)光效率值也可根據(jù)數(shù)據(jù)進行估算。

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