LED基礎(chǔ)知識(shí)：光色的測(cè)量（圖解）

圖1：LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

　　1、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)系統(tǒng)等組成。LED的基本的工作原理是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換過(guò)程，當(dāng)一個(gè)正向偏壓施加于PN結(jié)兩端，由于PN結(jié)勢(shì)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)載流子是不穩(wěn)定的，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)生的光子的能量就越高。能量級(jí)差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長(zhǎng)就不同，相應(yīng)的光的顏色就不同。

圖2：LED的工作原理

　　2、LED的光參數(shù)

（1）光通量
　　
　　光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，也即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺(jué)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。

　　式中V（λ）為相對(duì)光譜光視效率，Km為輻射的光譜光視效能的最大值，單位為lm/W，1977年由國(guó)際計(jì)量委員會(huì)確定Km值為683lm/W（λm=555nm）。

　?。?）光強(qiáng)度
　　
　　光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在該方向的立體角元dΩ內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟Φ除以該立體角元之商，即：

　　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。
　　
　?。?）光亮度
　　
　　光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度是該面元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的平面上的正投影面積之商，即：

　　單位為坎德拉每平方米（cd/㎡）。當(dāng)發(fā)光表面與測(cè)量方向垂直時(shí)，則cosθ=1。

　?。?）光照度
　　
　　表面上一點(diǎn)的照度是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量dΦ除以該面元面積dS之商。即：

單位為勒克斯（lx），1lx=1lm/㎡。
　　
　　（5）其它
　　
　　光譜、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等。

圖4：其他參數(shù)

　3、LED光色測(cè)量的必要性
　　
　　（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)人體造成一定的光輻射危害。光色測(cè)量可為L(zhǎng)ED的安全使用提供指導(dǎo)。
　　
　?。?）促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
　　
　　LED的光色測(cè)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)。
　　
　　二、LED的光色測(cè)量
　　
　　1、光通量
　　

（1）積分法
　　
　　測(cè)得LED在各個(gè)方向的光強(qiáng)，然后由這些光強(qiáng)值計(jì)算得到LED的總光通量。

圖5：積分球法測(cè)LED光通量

　?。?）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)原理可得，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(cè)燈進(jìn)行比較得到被測(cè)燈的光通量，如圖6（a）所示。
　　
　　但是由于標(biāo)準(zhǔn)燈與被測(cè)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(cè)試光通量時(shí)需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，可采用輔助燈的方法，如圖6（b）所示。

圖6：積分球法測(cè)LED光通量

圖7：LED的2p立體角光通量測(cè)試

（3）2p立體角光通量的測(cè)試
　　
　　利用積分球法測(cè)試LED光通量時(shí)還有一種測(cè)試結(jié)構(gòu)，如圖7所示，稱為前射光通量的測(cè)試或2p立體角光通量。該測(cè)試并不是測(cè)試LED的總光通量，但是人們常常將其與測(cè)試LED的總光通量混淆。

　　2、光強(qiáng)度
　　
　　對(duì)于LED的光強(qiáng)的測(cè)試，CIE-127規(guī)定了兩種測(cè)試條件，如圖8和表1所示。

圖8：LED光強(qiáng)測(cè)試

表1：CIE-127規(guī)定了兩種測(cè)試條件

　　3、光亮度
　　
　　LED亮度的測(cè)試一般應(yīng)用于測(cè)試LED芯片的亮度和評(píng)價(jià)LED光輻射安全性的過(guò)程中。測(cè)試一般采用成像法，對(duì)于芯片的測(cè)試可以采用顯微成像進(jìn)行測(cè)量（圖9（b））。

圖9：LED亮度測(cè)試

4、光照度
　　
　　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(cè)試單個(gè)LED的對(duì)某點(diǎn)或某面的照度沒(méi)有太大意義，因?yàn)橐话闱闆r下對(duì)實(shí)際場(chǎng)合的照明都是由多個(gè)LED共同完成的。
　　
　　5、其它參數(shù)
　　
　　色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)和色純度、色溫和相