CIE與IEC的LED參數(shù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

引言

LED 技術(shù)雖然已經(jīng)有40 多年的發(fā)展歷史,在產(chǎn)業(yè)界依然存在LED 光學(xué)參數(shù)測(cè)試再現(xiàn)性差,測(cè)量不確定度大,不同測(cè)試裝置之間的測(cè)試結(jié)果一致性差等現(xiàn)象[1～3 ] 。究其原因,如同國(guó)內(nèi)對(duì)LED 產(chǎn)業(yè)存在多頭管理,國(guó)際上也一樣: 國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料組織(SEMI) ,國(guó)際電工委員會(huì)( IEC) 和國(guó)際照明委員會(huì)(CIE) 都程度不同地涉及到LED ,尤其是后兩個(gè)委員會(huì)。正是由于LED 的相關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際上不同的標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的,而且各個(gè)國(guó)際組織總體上沒(méi)有系統(tǒng)的規(guī)劃,相關(guān)組織間也沒(méi)有充分協(xié)商,因而存在不同的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,所頒文件的技術(shù)內(nèi)容也不盡相同。IEC 成立于1906 年,它把LED 作為一個(gè)顯示用半導(dǎo)體器件處理,側(cè)重于它的物理特性。CIE 成立于1913 年,它更多地把LED 作為一個(gè)光源器件處理,所以導(dǎo)致各自的LED 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)之間存在微小的差異。本文試圖通過(guò)比較各自的標(biāo)準(zhǔn),找出兩者的不同之處,以便為L(zhǎng)ED 測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)的最終定稿提供一些參考。

1 　CIE 和ICE 對(duì)同一事件的不同表述

1.1 　發(fā)光(輻射) 效能的定義

首先,必須修正對(duì)這個(gè)術(shù)語(yǔ)的誤解,發(fā)光(輻射)效率(efficiency) 用在此文中是不妥的,因?yàn)樾适侵笩o(wú)量綱的物理量,而此處是有量綱的。所以,正確的叫法是“發(fā)光(輻射) 效能(efficacy) ”。

發(fā)光(輻射) 效能的定義:

CIE 定義:LED 發(fā)出的光通量(輻射通量) 與耗費(fèi)電功率之比。

IEC 定義:LED 發(fā)出的光通量(輻射通量) 與耗費(fèi)正向電流之比[4 ] 。

評(píng)論:CIE 的發(fā)光效能要測(cè)3 個(gè)物理量:總光通量,正向電流,正向電壓(或內(nèi)阻) 。而IEC 只需測(cè)量?jī)蓚€(gè)物理量:總光通量、正向電流。它沒(méi)有選擇正向電壓是很明智的,因正向電壓會(huì)隨管芯溫度的升高而下降。作者認(rèn)為,IEC 的定義是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。因?yàn)榧词箤?duì)于同一批次的管芯和封裝,管芯的內(nèi)阻及端電壓存在微小差異,所以僅適用于對(duì)發(fā)光(輻射) 效能允許有一定變動(dòng)范圍的情況。這樣測(cè)試時(shí)間將縮短,因只需測(cè)量?jī)蓚€(gè)物理量。

1.2 　發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量距離

CIE[5 ] 規(guī)定了發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量距離有兩種:遠(yuǎn)場(chǎng)(條件A) 為316mm ,對(duì)應(yīng)的立體角為01001Sr ; 近場(chǎng)(條件B) 為100mm ,對(duì)應(yīng)的立體角為0101Sr :兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換,遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果乘以10 就得到近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。

　　
IEC[6 ]規(guī)定的測(cè)量距離僅為近場(chǎng)(條件B) ,立體角 0101Sr ; (為什么不寫等于0101Sr ?) 。

　　
對(duì)測(cè)量距離,CIE 明確規(guī)定從LED 的外殼頂端到光探測(cè)器的靈敏面。而IEC 規(guī)定得比較模糊。

　　
評(píng)論:表面看起來(lái),遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量比近場(chǎng)測(cè)量有時(shí)候不確定度要小,因?yàn)樵诖藯l件下對(duì)測(cè)量距離、電流和雜散光的要求可相對(duì)低一些。但同時(shí),LED 安裝傾角的影響卻相對(duì)增大,這可是一個(gè)大誤差源。一般而論,遠(yuǎn)場(chǎng)條件可適用強(qiáng)照明及封裝產(chǎn)品,而近場(chǎng)條件適用于弱照明和芯片、指示燈和背光源等。故均有存在的必要性。其次,CIE 在邏輯上不夠嚴(yán)謹(jǐn)。首先,它用很大篇幅說(shuō)明了LED 不是點(diǎn)光源,故距離平方反比定律不成立,發(fā)光強(qiáng)度這個(gè)概念也不適用。另外在實(shí)踐上,它實(shí)際上是測(cè)量LED 在光電探測(cè)器靈敏面上的照度,然后乘以距離的平方而得到發(fā)光強(qiáng)度。這樣,曾經(jīng)被否定的距離平方反比定律實(shí)際上仍用到了。

　　
1.3 　測(cè)量的外部條件

　　
CIE 明確規(guī)定測(cè)量的環(huán)境溫度為25 ℃,但沒(méi)提及大氣條件。

　　
IEC 則在籠統(tǒng)地提到環(huán)境溫度的同時(shí),也強(qiáng)調(diào)了適宜的大氣條件。

　　
評(píng)論:根據(jù)作者長(zhǎng)期對(duì)硅光電二極管深入研究的經(jīng)驗(yàn),LED 參數(shù)與大氣條件諸如大氣壓、濕度、潔凈度等有關(guān)是肯定的,只是尚未做這方面的實(shí)驗(yàn)來(lái)予以證實(shí)。

　　
2 　IEC 提及卻被CIE 遺漏的內(nèi)容

　　
2.1 　CIE 沒(méi)有提到LED 輻射強(qiáng)度的測(cè)量,這實(shí)際上是一個(gè)非常重要的物理量

　　
IEC 則用較大篇幅提到這一點(diǎn)。其一,指出輻射強(qiáng)度的測(cè)量定位應(yīng)是機(jī)械軸方向(法向輻射強(qiáng)度) ;其二,提到要用無(wú)光譜選擇性的探測(cè)器如熱電偶堆等熱電探測(cè)器作為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器:其三,提到要用近場(chǎng)測(cè)量。輻射強(qiáng)度對(duì)紅外發(fā)光二極管( IRED) 尤其重要。

　　
2.2 　CIE 沒(méi)有提到脈沖測(cè)量

　　
既然市場(chǎng)上有“閃光LED”,閃光頻率約為113～512Hz ,所以必須有相應(yīng)的測(cè)量方法。

　　
IEC 規(guī)定,對(duì)閃光LED 的測(cè)量,光探測(cè)器的上升時(shí)間應(yīng)該足夠小,而且應(yīng)該能讀取脈沖的峰值。

　　
IEC 規(guī)定,為了測(cè)量峰值波長(zhǎng)的帶寬,單色LED的波長(zhǎng)分辨率和帶寬應(yīng)能夠調(diào)節(jié),以便測(cè)量有足夠的精度。輻射計(jì)的光譜響應(yīng)進(jìn)行校正,不妨假定峰值波長(zhǎng)為100 % ,以便作歸一化處理。IEC 指出,若單色儀的透射因子和輻射計(jì)的靈敏度在所測(cè)量的波長(zhǎng)范圍內(nèi)不是常數(shù),則要對(duì)測(cè)量值做相應(yīng)的修正。

2.3 　CIE 沒(méi)有提到LED 暗電流的測(cè)量

　　
IEC 強(qiáng)調(diào)指出,LED 暗電流的測(cè)量對(duì)溫度非常敏感,所以測(cè)量精度極大地依賴于環(huán)境溫度。另外,雜散光也是一個(gè)因素,測(cè)量最好在全黑環(huán)境下進(jìn)行。工作電流也必須從零開始慢慢往上調(diào)節(jié)。

　　
2.4 　CIE 沒(méi)有提到總電容測(cè)量時(shí)的頻率

　　
由LED 和光晶體管組成的光耦合器,LED 在其中起著開關(guān)作用。其抗干擾能力比一般方法強(qiáng)。電容測(cè)量?jī)x的最小分辨率≮1PC ,而電容的測(cè)試頻率規(guī)定為1MHz ,這對(duì)LED 總電容的測(cè)量可能有借鑒作用。

　　
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)只籠統(tǒng)地提到“規(guī)定頻率”一詞,到底用多大頻率測(cè)量總電容尚無(wú)規(guī)定。

　　
2.5 　CIE 沒(méi)有提到LED 的開關(guān)時(shí)間

　　
IEC 明確提到了光耦合器的開關(guān)時(shí)間。如上升時(shí)間tr ,開啟時(shí)間ton ,關(guān)閉延遲時(shí)間td ,下降時(shí)間tf ,關(guān)閉時(shí)間toff 等。

　　
3 　CIE 提及卻被IEC 所遺漏的內(nèi)容

　　
與上節(jié)相比,這方面的內(nèi)容就太多了,故只能點(diǎn)到為止。

　　
3.1 　LED 的性質(zhì)

　　
3.1.1 　LED 的光學(xué)性質(zhì)

　　
●發(fā)光強(qiáng)度的空間分布強(qiáng)調(diào)了對(duì)芯片的封裝經(jīng)常會(huì)改變它原來(lái)的光譜和空間分布。

　　
●相對(duì)于其它光源而言,LED 的光譜分布既不是單色的(與激光束比) ,也不是寬帶的(與白熾燈比) 。

　　
●LED 的發(fā)光面積,由于包裝和透鏡、反光鏡等的不同,而有不同的尺寸和形狀。與測(cè)量距離相比,LED 的發(fā)光面積大到不再是點(diǎn)光源。

　　
3.1.2 　LED 的電學(xué)性質(zhì)

●正向電壓:它的精確測(cè)量最好用4 線測(cè)量方法,而隨著管芯溫度的上升正向電壓會(huì)下降。由于LED管芯發(fā)熱的作用,剛開啟的時(shí)候,輻射功率上升的速度快于電功率的上升。而到了平穩(wěn)工作期間,LED 的光輻射又強(qiáng)烈地依賴于正向電流。

●由于溫度和電壓之間的復(fù)雜關(guān)系,不推薦用穩(wěn)定的電功率作為穩(wěn)定的LED 光輸出功率的前提。

●正向電壓與組成LED 的半導(dǎo)體材料相關(guān):在正向電流20mA 的前提下,紅外管的端電壓是112V ,藍(lán)光管為615V ,其它的管子在這個(gè)范圍以內(nèi)。

●CIE 規(guī)定,測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度為25 ℃,但供給LED電源的接觸點(diǎn),管芯和熱沉之間引線的長(zhǎng)度和電阻均會(huì)顯著地影響測(cè)量結(jié)果。

●CIE 也提到輻射效率是電流的函數(shù)。因?yàn)楣ぷ麟娏鞯脑黾硬坏珪?huì)增加LED 光功率的輸出量,而且會(huì)提高芯片溫度,后者反過(guò)來(lái)又會(huì)影響到LED 的光功率輸出。如果對(duì)工作電流進(jìn)行調(diào)制,則芯片溫度會(huì)產(chǎn)生起伏現(xiàn)象,導(dǎo)致在同樣的電流下,平均光功率輸出不