LED照明與光色測量基礎(chǔ)知識(shí)

1、前言

發(fā)光二極管（ＬＥＤ）作為新興的發(fā)光體，具有電光效率高、體積小、壽命長、電壓低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是新一代照明的首選器件。ＬＥＤ的發(fā)展受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。近年來，ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光效不斷增加，亮度不斷提高。如今，ＬＥＤ已經(jīng)在眾多場合得到大量應(yīng)用，尤其是白光ＬＥＤ技術(shù)的不斷進(jìn)步，使其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸普及。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如圖1所示。

2、ＬＥＤ的工作原理

發(fā)光二極管（ＬＥＤ）是一種能把電能轉(zhuǎn)化為光能的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由ＰＮ結(jié)芯片、電極和光學(xué)等系統(tǒng)組成。ＬＥＤ的基本工作原理是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換的過程，當(dāng)一個(gè)正向偏壓施加于ＰＮ結(jié)兩端，由于ＰＮ結(jié)勢壘的降低，Ｐ區(qū)的正電荷將向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，Ｎ區(qū)的電子也向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)在兩個(gè)區(qū)域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子相對(duì)不穩(wěn)定，對(duì)于ＰＮ結(jié)系統(tǒng)，注入到價(jià)帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，電子和空穴的能量差越大，產(chǎn)生的光子能量就越高。能量級(jí)差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長就不同，相應(yīng)的光的顏色就會(huì)不同。LED工作原理如圖2所示。

3、ＬＥＤ的光參數(shù)

3.1 光通量

光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。光通量的符號(hào)為Φ，單位為流明（Lｍ）。

根據(jù)光譜輻射通量Φ（λ），由下式可確定光通量：
Φ=Km■Φ（λ）gV（λ）dλ
式中，Ｖ（λ）—相對(duì)光譜光視效率；
Km—輻射的光譜光視效能的最大值，單位為Lｍ/Ｗ。１９７７年由國際計(jì)量委員會(huì)確定Km值為６８３Lm/W（λｍ＝５５５ｎｍ）.

3.2 光強(qiáng)度

光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度I是該光源在該方向的立體角元內(nèi)傳輸?shù)墓馔浚洇党栽摿Ⅲw角元ｄΩ之商，即：
I=■
發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（ｃｄ），１ｃｄ＝１Lｍ/１ｓｒ。空間各個(gè)方向的光強(qiáng)之和就是光通量。

3.3 光亮度

光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度L，是該面元ｄＳ在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積之商，即：
L=■
單位為坎德拉每平方米（ｃｄ/ｍ２）。當(dāng)發(fā)光表面與測量方向垂直時(shí)，則ｃｏｓθ＝１。

3.4 光照度

表面上一點(diǎn)的照度E是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量ｄΦ除以該面元面積ｄＳ之商。即：
E=■
單位為勒克斯（Lｘ），１Lｘ＝１Lｍ/ｍ２。

3.5 其他參數(shù)

LED的光參數(shù)還包括：光譜、色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等。

4 ＬＥＤ光色測量的必要性

4.1 避免危害

ＬＥＤ與傳統(tǒng)的照明燈不同，它具有點(diǎn)光源、高亮度、窄光束輸出等特點(diǎn)。當(dāng)ＬＥＤ應(yīng)用于照明器具時(shí)，如果對(duì)出光角不加以嚴(yán)格的控制就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光，某些高亮度ＬＥＤ產(chǎn)品甚至?xí)?duì)人體造成光輻射危害。光色測量可為ＬＥＤ的安全使用提供指導(dǎo)。

4.2 促進(jìn)ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

ＬＥＤ的光色測量能提供大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作為判定ＬＥＤ產(chǎn)品合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，并可為改進(jìn)ＬＥＤ的設(shè)計(jì)、制造提供依據(jù)。

5 ＬＥＤ的光色測量方法

5.1 光通量的測量

5.1.1 積分法

測得ＬＥＤ在各個(gè)方向的光強(qiáng)，然后對(duì)這些光強(qiáng)值進(jìn)行計(jì)算，從而得到ＬＥＤ的總光通量（如圖3所示）。

5.1.2 積分球法

積分球又稱為光通球，是一個(gè)中空的完整球殼。內(nèi)壁涂白色漫反射層，且球內(nèi)壁各點(diǎn)漫射均勻。光源在球壁上任意一點(diǎn)上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可知，球面上任意一點(diǎn)的光照度為與光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈進(jìn)行比較得到被測燈的光通量，如圖4（a）所示。

但是由于標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈的物理結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)的不同（如吸收），在利用積分球法測試光通量時(shí)需要對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行修正，可采用輔助燈的方法，如圖4（b）所示。

5.1.3 2π立體角光通量的測試

利用積分球法測試ＬＥＤ光通量時(shí)還有一種測試結(jié)構(gòu)（如圖5所示），稱為前射光通量的測試或２π立體角光通量。該測試并不是測試ＬＥＤ的總光通量，但人們常常將其與測試ＬＥＤ的總光通量相混淆。

5.2 光強(qiáng)度測量

對(duì)于ＬＥＤ光強(qiáng)的測試，ＣＩＥ－１２７規(guī)定了兩種測試條件，如圖6和表所示。

5.3 光亮度

ＬＥＤ亮度的測試通常應(yīng)用在測試ＬＥＤ芯片的亮度和評(píng)價(jià)ＬＥＤ光輻射安全性的過程中。測試一般采用成像法，對(duì)于芯片的測試可以采用顯微成像進(jìn)行測量，如圖7所示。

5.4 光照度測量

嚴(yán)格地說，光照度實(shí)際上并不能算是ＬＥＤ的光學(xué)參數(shù)，照度是表示被照射表面受照程度的光學(xué)量，而且測試單個(gè)ＬＥＤ對(duì)某點(diǎn)或某面的照度沒有太大意義，因?yàn)橐话闱闆r下對(duì)實(shí)際場合的照明都是由多個(gè)ＬＥＤ共同完成的。

5.5 其他參數(shù)的測量

其他如色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等參數(shù)的測試，可以利用相關(guān)色度計(jì)或者采用光譜儀進(jìn)行。

6 ＬＥＤ的光輻射安全性測試與評(píng)價(jià)

近年來，ＬＥＤ的光輻射安全受到越來越多的關(guān)注，因此本文也對(duì)此作一簡單介紹。

浙江大學(xué)三色儀器有限公司在國內(nèi)首先開展了光輻射安全測試的研究，并與國家電光源檢測中心共同起草了非相干光源的光生物安全性國家標(biāo)準(zhǔn)。目前，浙大三色在ＬＥＤ的光輻射安全測試方面又取得新的進(jìn)展，為Ｐｈｉｌｉｐｓ公司進(jìn)行了照明ＬＥＤ測試工作，研究完成了具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ＬＥＤ輻射安全檢測系統(tǒng)。下面以我們做的測試實(shí)例介紹ＬＥＤ光輻射安全性測試與評(píng)價(jià)的過程。

6.1 被測白光ＬＥＤ　

6.1.1 LED工作條件

燈管電流０．４１７Ａ，電壓１２Ｖ直流，功率５Ｗ。

6.1.2 實(shí)物圖與光譜分布（如圖8所示）

6.2 表觀光源的測試

如圖9所示，我們利用表觀光源測試系統(tǒng)對(duì)白光ＬＥＤ進(jìn)行了測試，這９幅圖是在０°（正對(duì)）和９０°方向上間隔１０°拍攝得到的表觀光源像。理論上我們應(yīng)該按各個(gè)方向進(jìn)行光安全的測試評(píng)價(jià)，但是為簡單起見，本文只對(duì)０°方向的情況進(jìn)行測試評(píng)價(jià)（因?yàn)樵摲较蚬廨敵鲎顝?qiáng)），其他角度可以此類推。０°方向表觀光源大小為直徑２．５ｃｍ的圓斑。

6.3 測試條件１

按照ＩＥＣ－６０８２５要求，首先按測試條件１進(jìn)行測試。白光ＬＥＤ出孔距光接收口２ｍ，光接收口直徑５０ｍｍ。

測試結(jié)果分析：
１類ＡＥＬ計(jì)算
４００～６００ｎｍ的光化學(xué)危害：未超過規(guī)定ＡＥＬ
４００～７００ｎｍ的熱危害：未超過規(guī)定ＡＥＬ
７００～１４００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過規(guī)定ＡＥＬ

結(jié)論：該白光ＬＥＤ在測試條件１下測得的光輻射輸出未超過１類激光產(chǎn)品的ＡＥＬ規(guī)定。

6.4 測試條件２　

白光ＬＥＤ光出射孔距光接收口１００ｍ，光接收口直徑為７ｍｍ。

測試結(jié)果分析：
（1）１類ＡＥＬ計(jì)算
４００～６００ｎｍ的光化學(xué)危害ＡＥＬ：超過規(guī)定ＡＥＬ
結(jié)論：該白光ＬＥＤ超過１類激光產(chǎn)品光化學(xué)危害ＡＥＬ規(guī)定，不屬于１類產(chǎn)品。
（2）２類ＡＥＬ的計(jì)算
４００～７００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過規(guī)定ＡＥＬ
７００～１４００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過規(guī)