LED基础原理:光色的测量

　　一、引言

　　发光二极管(LED)作为新兴的发光体，具有电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能和环保等优点，是下一代照明器件的不二之选。LED的发展受到国内外的普遍关注，新产品、新技术层出不穷。近年来，LED产业发展迅速，光效不断增加，亮度不断提高，如今，LED已经渗透到了大量的应用场合，尤其是白光LED技术的不断进步，LED在照明领域的应用也已经越来越普及。

　　

 

　　图1：LED产业的发展

　　1、LED的工作原理

　　发光二极管(LED)是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统等组成。LED的基本的工作原理是一个电光转换过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向外辐射，电子和空穴的能量差越大，产生的光子的能量就越高。能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜色就不同。

　　

 

　　图2：LED的工作原理

　　2、LED的光参数

　　

 

　　图3：LED的主要光参数

　　(1)光通量

　　光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即辐射功率(或辐射通量)能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。光通量的符号为Φ，单位为流明(lm)。根据光谱辐射通量Φ(λ)，由下式可确定光通量。

　　

 

　　式中V(λ)为相对光谱光视效率，Km为辐射的光谱光视效能的最大值，单位为lm/W，1977年由国际计量委员会确定Km值为683lm/W(λm=555nm)。

　　(2)光强度

　　光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角元dΩ内传输的光通量dΦ除以该立体角元之商，即：

　　

 

　　发光强度的单位是坎德拉(cd)，1cd=1lm/1sr。空间各个方向的光强之和就是光通量。

　　(3)光亮度

　　光源发光表面上某一点处的亮度是该面元dS在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之商，即：

　　

 

　　单位为坎德拉每平方米(cd/㎡)。当发光表面与测量方向垂直时，则cosθ=1。

　　(4)光照度

　　表面上一点的照度是入射在包含该点面元上的光通量dΦ除以该面元面积dS之商。即：

　　

 

　　单位为勒克斯(lx)，1lx=1lm/㎡。

　　(5)其它

　　光谱、色品坐标、主波长和色纯度、色温和相关色温、显色性和显色指数等。

　　

 

　　3、LED光色测量的必要性

　　(1)避免危害

　　LED与传统的照明灯不同，它具有点光源、高亮度、窄光束输出等特点。当LED应用于照明器具时，如果对出光角不加严格的控制就会产生强烈的眩光，某些高亮度LED产品甚至会对人体造成一定的光辐射危害。光色测量可为LED的安全使用提供指导。

　　(2)促进LED产业的发展

　　LED的光色测量能提供大量的实验数据，可作为判定LED产品合格与否的标准，并可为改进LED的设计、制造提供依据。

　　二、LED的光色测量

　　1、光通量

　　(1)积分法

　　测得LED在各个方向的光强，然后由这些光强值计算得到LED的总光通量。

　　

 

　　图5：积分球法测LED光通量

　　(2)积分球法

　　积分球又称为光通球，是一个中空的完整球壳。内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点漫射均匀。光源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学原理可得，球面上任意一点的光照度为与光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的标准灯与被测灯进行比较得到被测灯的光通量，如图6(a)所示。

　　但是由于标准灯与被测灯的物理结构以及性质的不同，如吸收，在利用积分球法测试光通量时需要对测试结果进行修正，可采用辅助灯的方法，如图6(b)所示。

　　

 

　　图6：积分球法测LED光通量

　　(3)2p立体角光通量的测试

　　利用积分球法测试LED光通量时还有一种测试结构，如图7所示，称为前射光通量的测试或2p立体角光通量。该测试并不是测试LED的总光通量，但是人们常常将其与测试LED的总光通量混淆。

　　

 

　　图7：LED的2p立体角光通量测试

　　2、光强度

　　对于LED的光强的测试，CIE-127规定了两种测试条件，如图8和表1所示。

　　

 

　　图8：LED光强测试

　　

 

　　表1：CIE-127规定了两种测试条件

　　3、光亮度

　　LED亮度的测试一般应用于测试LED芯片的亮度和评价LED光辐射安全性的过程中。测试一般采用成像法，对于芯片的测试可以采用显微成像进行测量(图9(b))。

　　

 

　　图9：LED亮度测试

　　4、光照度

　　光照度实际上并不能算是LED的光学参数，照度是表示被照射表面受照程度的光学量。而且测试单个LED的对某点或某面的照度没有太大意义，因为一般情况下对实际场合的照明都是由多个LED共同完成的。

　　5、其它参数

　　色品坐标、主波长和色纯度、色温和相关色温、显色性和显色指数等参数的测试可以利用相关色度计或者采用光谱仪进行测试。

　　三、LED的光辐射安全性测试与评价

　　近年来，LED的光辐射安全受到越来越多的关注，因此本文也对此作一下简单介绍。

　　浙江大学三色仪器有限公司在国内首先开展了光辐射安全测试的研究，并与国家电光源检测中心共同起草了非相干光源的光生物安全性国家标准。目前，浙大三色在LED的光辐射安全测试方面又取得新的进展，为Philips公司进行了照明LED测试工作，研究完成了具有中国自主知识产权的LED辐射安全检测系统。下面以我们做的测试实例介绍一下LED光辐射安全性测试与评价的大体过程。

　　1、被测白光LED

　　(1)LED工作条件

　　灯管电流0.417A，电压12V直流，功率5W。

　　(2)实物图与光谱分布

　　

 

　　图10：被测LED实物与光谱分布

　　2、表观光源的测试

　　如图11所示，我们利用表观光源测试系统对白光LED进行了测试，上述9幅图是在0度(正对)和90度方向上间隔10度拍摄得到的表观光源像。理论上我们应该按各个方向进行光安全的测试评价，但是本文为简单起见只对0度方向的情况进行测试评价(因为该方向光输出最强)，其它角度可以此类推。0度方向表观光源大小为直径2.5cm的圆斑。

　　

 

　　图11：白光LED表观光源测试

　　四、LED光色测量与照明评价

　　LED照明的最终目的是取得最佳的照明效果，而判断照明效果的好坏也取决于LED的光色测量。

　　1、现行的照明评价

　　现行的照明评价主要是根据几个主要光学基本量：光通量、光亮度、光强度和光照度等来进行评价，其中前三个基本量主要用于光源的评价，光照度则是对光源光辐射作用面的评价。这些光学基本量是根据人眼的生物物理特性得到的一个国际照明委员会(CIE)认可光谱光视效率函数V(λ)与对应的辐射度量加权积分的结果，满足关系：

　　

 

　　式中的Km=683lm/W。

　　2、存在的问题与不足

　　人眼的生物物理机理非常复杂，不同情况下对光刺激的响应也不同，大体上可以分为明视觉、暗视觉和中间视觉，其中中间视觉尤其复杂，因此上述的光谱光视效率并不能确切地表示照明的实际效果。如图13所示：同一个光源在明视觉和暗视觉下对人眼造成的刺激值明显不同。另外，国内现行的照明评价缺乏对光生物安全性的考虑，这可能会对人体造成不同程度的危害。

　　

 

　　3、解决方法

　　(1)测试方法与仪器

　　采用全光谱法测得LED的光谱分布，如图11所示，利用光谱仪进行分光测试。

　　

 

　　(2)评价方法

　　a)照明效果

　　根据不同视觉条件采用不同的光谱光视效率函数加权LED光谱分布数据，得到被测光源光辐射在对应视觉条件下的实际照明效果。例如，暗视觉时采用暗视觉光谱光是效率函数，明视觉时采用明视觉光谱光是效率函数，中间视觉采用中间视觉光谱光是效率函数。

　　b)光生物安全性

　　根据危害种类的采用对应的效果函数加权LED光谱分布数据得到实际危害效果。

　　总之，LED照明评价应该符合人体实际的生物物理需求。

　　五、总结与展望

　　第一、LED产业的发展离不开LED的光色测量技术，而为了适应LED的照明应用，未来的光色测量技术应该有新的突破。

　　第二、LED照明与光色测量应该以人为本，一切以适应人类的实际要求为导向。

　　第三、当前任务：

　　(1)加强人体相关的生物学基础理论的研究，促进学科的交叉合作。

　　(2)与国际接轨，加快规范性文件的制定与实施，努力并积极地参与CIE、IEC等国际知名组织的活动。

　　(3)加大科研投入，研发具有自主知识产权的光色测量仪器。

　　(4)加强各类测试技术的研究，培养专业的测试人员，并加快提高质检机构的装备水平和检测能力。