LED檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備進(jìn)展研究

標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)是引領(lǐng)半導(dǎo)體照明LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要杠桿。近幾年，隨著LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，LED從器件、模塊，到照明和顯示等應(yīng)用產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)有較快的發(fā)展。國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織已陸續(xù)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。我國(guó)也從跟蹤、參與到積極主導(dǎo)國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，尤其在燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性測(cè)量的國(guó)際準(zhǔn)，今年七月底國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC批準(zhǔn)由中國(guó)牽頭制訂，杭州浙大三色儀器有限公司為該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目組長(zhǎng)單位，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在照明領(lǐng)域主導(dǎo)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂零的突破。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC是聯(lián)合國(guó)的一級(jí)技術(shù)咨詢機(jī)構(gòu)，IEC標(biāo)準(zhǔn)是世貿(mào)組織WTO最重要的貿(mào)易技術(shù)性文件。我國(guó)在照明光學(xué)檢測(cè)技術(shù)得到國(guó)際上的肯定，開(kāi)始主導(dǎo)IEC光學(xué)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，將促進(jìn)我國(guó)半導(dǎo)體照明LED檢測(cè)設(shè)備的國(guó)際化發(fā)展。

在LED檢測(cè)技術(shù)方面，由于LED產(chǎn)品的特性與傳統(tǒng)光源有較大差別。LED的發(fā)光與結(jié)溫度有密切的關(guān)系，在LED產(chǎn)品的光學(xué)和光電參數(shù)測(cè)試中，環(huán)境溫度、散熱器或殼體溫度的變化都會(huì)改變LED的結(jié)溫，從而影響光輸出。在LED燈具的光度測(cè)試中，往往是發(fā)光器件與燈具殼件是不可分離，需要一體測(cè)試，通常采用絕對(duì)光度測(cè)量方法。某些高亮度LED的藍(lán)光會(huì)引起人眼視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷，根據(jù)IEC 62471“燈和燈系統(tǒng)的光生物安全”系列標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)LED產(chǎn)品的光化學(xué)損傷的測(cè)試，也是目前產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。此外，LED產(chǎn)品的具有長(zhǎng)壽命特點(diǎn)，我們無(wú)法像普通照明產(chǎn)品進(jìn)行長(zhǎng)期燃點(diǎn)試驗(yàn)，必須采用一定的加速測(cè)試方法，預(yù)測(cè)LED產(chǎn)品的有效壽命，如美國(guó)“能源之星”采用LM80標(biāo)準(zhǔn)、我國(guó)正在制訂的LED壽命加速試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

因此，近幾年國(guó)際上在LED產(chǎn)品性能測(cè)量技術(shù)和檢測(cè)設(shè)備方面發(fā)展迅速。在我國(guó)，隨著LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備的創(chuàng)新能力顯著提高，推出了一系列滿足當(dāng)前產(chǎn)業(yè)急需的先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備;尤其在LED產(chǎn)品的光學(xué)和能效檢測(cè)、燈具的空間光分布測(cè)量、壽命的加速試驗(yàn)檢測(cè)、光生物輻射安全檢測(cè)等方面，開(kāi)發(fā)出了具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備。

一、LED產(chǎn)品的光學(xué)和能效檢測(cè)

在LED產(chǎn)品的性能測(cè)試中，溫度控制十分重要。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，LED器件一般控制結(jié)溫度或殼體熱點(diǎn)溫度;對(duì)于LED模塊，則控制模塊熱沉上的熱點(diǎn)溫度;而LED應(yīng)用產(chǎn)品，則以環(huán)境溫度為基準(zhǔn)。因此，在LED產(chǎn)品的光學(xué)和能效檢測(cè)中，針對(duì)LED器件、模塊和應(yīng)用產(chǎn)品，測(cè)試設(shè)備中的溫度控制方式非常重要。

某些LED產(chǎn)品的光束指向性比較強(qiáng)，在積分球中測(cè)量時(shí)，光束投射區(qū)域、擋屏位置等比較敏感，IESNA LM79標(biāo)準(zhǔn)和CIE 127技術(shù)報(bào)告都作出了規(guī)定，建議采用較高光譜反射比的1球內(nèi)壁涂層材料。美國(guó)NIST在推動(dòng)國(guó)際LED標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，走在了世界的前列，對(duì)測(cè)試設(shè)備也提出了極高的要求。圖1中的恒溫積分球，是浙大三色公司為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST研制的LED標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備，可對(duì)LED器件、模塊、應(yīng)用產(chǎn)品等三類(lèi)LED產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)恒溫測(cè)試。

二、LED燈和燈具的空間光分布檢測(cè)

分布光度計(jì)是測(cè)量光源和燈具空間發(fā)光強(qiáng)度分布的光度測(cè)量設(shè)備。圖2是國(guó)際照明委員會(huì)CIE 70技術(shù)文件中推薦的一種反光鏡分布光度計(jì)的原理結(jié)構(gòu)，反光鏡始終繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，在反光鏡和光度探測(cè)器之間可以精確設(shè)置一系列消雜散光光闌，非常有效地消除雜散光。這種分布光度計(jì)因比較適合各種復(fù)雜光束的空間光分布測(cè)量，已被全球一百多個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用，目前使用量第一。我國(guó)的幾家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也采用了這種反光鏡分布光度計(jì)。

近年來(lái)，隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展，LED產(chǎn)品的空間光分布測(cè)量越來(lái)越受到國(guó)際國(guó)內(nèi)的關(guān)注。與傳統(tǒng)光源及燈具相比，LED照明產(chǎn)品往往存在較復(fù)雜的光束分布，可能有一定的空間色度差異，因此對(duì)LED產(chǎn)品的空間光分布測(cè)量提出了新的要求，不僅要測(cè)試LED的空間光強(qiáng)分布，同時(shí)要測(cè)量空間色度不均勻性分布。此外，對(duì)于許多實(shí)驗(yàn)室，空間場(chǎng)地制約了高性能設(shè)備的應(yīng)用，為了節(jié)約空間，目前我國(guó)也研發(fā)出了采用兩塊反光鏡的分布光度計(jì)。

圖3所示的追蹤反光鏡式分布光度計(jì)是我國(guó)自主研制的大型光度測(cè)試設(shè)備。它借鑒了在液晶顯示運(yùn)動(dòng)偽像測(cè)量中光學(xué)追蹤測(cè)量的思想，解決了以前幾種圓周運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)中的測(cè)量光束軸線不固定、消雜散光差，或光電探測(cè)器在空間運(yùn)動(dòng)等一系列問(wèn)題。同時(shí)結(jié)合了中心旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計(jì)和圓周運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量中燈具的位置保持不變，測(cè)量光束垂直入射探測(cè)器，光電探測(cè)器的位置保持固定;在測(cè)量光路中設(shè)置的多個(gè)消雜散光光闌，能夠幾乎完全消除測(cè)試室地面、墻面和天花板等互相反射雜散光。同時(shí)通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的新型高精度色度測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速地測(cè)得LED模塊或燈具的空間光色分布。該分布光度計(jì)測(cè)試范圍廣，占地面積小,測(cè)量精度高，滿足CIE NO.70，CIE 121以及BS EN13032等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量要求。

三、LED產(chǎn)品的光生物輻射安全檢測(cè)和評(píng)估

隨著光生物學(xué)研究的發(fā)展，光輻射安全問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。尤其是近幾年迅速發(fā)展的LED，芯片的功率和外量子效率大幅度提高，大功率藍(lán)光LED芯片已廣泛應(yīng)用于普通照明領(lǐng)域;高功率多芯片集成及二次光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使LED的光輻射危害性更加令人關(guān)注。對(duì)人眼視網(wǎng)膜光輻射損傷的安全評(píng)估，需要測(cè)量300nm～700nm的藍(lán)光光化學(xué)危害的輻射亮度和380nm～1400nm的視網(wǎng)膜熱危害的輻射亮度，并需符合類(lèi)似于人眼結(jié)構(gòu)的測(cè)量條件，對(duì)測(cè)試技術(shù)和裝備提出了較高要求。圖4是我國(guó)專家在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST建立的基于人眼視網(wǎng)膜輻射亮度計(jì)的LED光生物輻射安全測(cè)試裝置。圖5是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LED光生物輻射安全檢測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)，主要用于非激光類(lèi)各種光源、燈具及電器產(chǎn)品中的光輻射源的光輻射安全測(cè)試和等級(jí)評(píng)價(jià)。我國(guó)不僅牽頭LED光生物輻射安全測(cè)量方法國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備也走在了國(guó)際領(lǐng)先行列。

四、LED壽命加速試驗(yàn)

LED產(chǎn)品的壽命可達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)，如何進(jìn)行產(chǎn)品的壽命評(píng)估，全球LED產(chǎn)業(yè)界都非常關(guān)注?？尚械姆椒ㄊ腔贚ED結(jié)工作溫度的加速熱應(yīng)力試驗(yàn)。美國(guó)LM-80標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種試驗(yàn)溫度：85℃、55℃和自定義(25℃)，獲得LED在幾種溫度下的光衰退曲線，試驗(yàn)時(shí)間為6000小時(shí)。我國(guó)正在起草的LED壽命加速試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)試驗(yàn)溫度作具體規(guī)定，一般需根據(jù)LED結(jié)構(gòu)材料特性選定加速試驗(yàn)熱應(yīng)力。圖6是我國(guó)自主研發(fā)的LED壽命和可靠性加速試驗(yàn)裝置，可同時(shí)進(jìn)行三個(gè)溫度區(qū)的試驗(yàn)，每個(gè)溫度區(qū)可進(jìn)行30個(gè)樣品的試驗(yàn)。檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)每一試驗(yàn)LED樣品在規(guī)定電參數(shù)(正向電流)下的光強(qiáng)和色品坐標(biāo)隨時(shí)間的衰退曲線。同時(shí)還實(shí)時(shí)記錄結(jié)溫(殼溫)和試驗(yàn)中的電學(xué)參數(shù)，自動(dòng)給出LED的有效壽命等等參數(shù)。

LED的潛力和優(yōu)勢(shì)不斷發(fā)展，未來(lái)五至十五年將是LED照明從傳統(tǒng)(替代型)照明進(jìn)入革命性(人性化)照明的發(fā)展時(shí)期，產(chǎn)業(yè)界應(yīng)關(guān)注國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)向，迎接新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我國(guó)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)中，從早期的跟蹤和等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以及本世紀(jì)初開(kāi)始積極參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制訂，到今天開(kāi)始部分主導(dǎo)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)國(guó)際金融危機(jī)的動(dòng)蕩，中國(guó)在國(guó)際舞臺(tái)上的地位正在發(fā)生新的變化，我國(guó)在半導(dǎo)體照明國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的話語(yǔ)權(quán)也不斷增強(qiáng)，對(duì)我國(guó)在未來(lái)國(guó)際貿(mào)易中將產(chǎn)生重要影響。我國(guó)在半導(dǎo)體照明檢測(cè)技術(shù)和裝備有了重大進(jìn)展，在國(guó)際上的地位日益提高，尤其在LED檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂中，我國(guó)在某些關(guān)鍵性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)地位已得到肯定。