LED檢測技術(shù)及設(shè)備進展研究

標準與檢測技術(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)品的標準有較快的發(fā)展。國際相關(guān)標準化組織已陸續(xù)有相關(guān)的標準發(fā)布。我國也從跟蹤、參與到積極主導(dǎo)國際相關(guān)標準，尤其在燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性測量的國際準，今年七月底國際標準化組織IEC批準由中國牽頭制訂，杭州浙大三色儀器有限公司為該國際標準項目組長單位，實現(xiàn)了我國在照明領(lǐng)域主導(dǎo)國際標準制訂零的突破。

國際標準化組織IEC是聯(lián)合國的一級技術(shù)咨詢機構(gòu)，IEC標準是世貿(mào)組織WTO最重要的貿(mào)易技術(shù)性文件。我國在照明光學(xué)檢測技術(shù)得到國際上的肯定，開始主導(dǎo)IEC光學(xué)測量標準，將促進我國半導(dǎo)體照明LED檢測設(shè)備的國際化發(fā)展。

在LED檢測技術(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)測試中，環(huán)境溫度、散熱器或殼體溫度的變化都會改變LED的結(jié)溫，從而影響光輸出。在LED燈具的光度測試中，往往是發(fā)光器件與燈具殼件是不可分離，需要一體測試，通常采用絕對光度測量方法。某些高亮度LED的藍光會引起人眼視網(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”系列標準，對LED產(chǎn)品的光化學(xué)損傷的測試，也是目前產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點之一。此外，LED產(chǎn)品的具有長壽命特點，我們無法像普通照明產(chǎn)品進行長期燃點試驗，必須采用一定的加速測試方法，預(yù)測LED產(chǎn)品的有效壽命，如美國“能源之星”采用LM80標準、我國正在制訂的LED壽命加速試驗方法標準。

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

一、LED產(chǎn)品的光學(xué)和能效檢測

在LED產(chǎn)品的性能測試中，溫度控制十分重要。根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)標準，LED器件一般控制結(jié)溫度或殼體熱點溫度;對于LED模塊，則控制模塊熱沉上的熱點溫度;而LED應(yīng)用產(chǎn)品，則以環(huán)境溫度為基準。因此，在LED產(chǎn)品的光學(xué)和能效檢測中，針對LED器件、模塊和應(yīng)用產(chǎn)品，測試設(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，在積分球中測量時，光束投射區(qū)域、擋屏位置等比較敏感，IESNA LM79標準和CIE 127技術(shù)報告都作出了規(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NIST在推動國際LED標準測試方法標準，走在了世界的前列，對測試設(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國家標準與技術(shù)研究院NIST研制的LED標準測試設(shè)備，可對LED器件、模塊、應(yīng)用產(chǎn)品等三類LED產(chǎn)品實現(xiàn)恒溫測試。

二、LED燈和燈具的空間光分布檢測

分布光度計是測量光源和燈具空間發(fā)光強度分布的光度測量設(shè)備。圖2是國際照明委員會CIE 70技術(shù)文件中推薦的一種反光鏡分布光度計的原理結(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。這種分布光度計因比較適合各種復(fù)雜光束的空間光分布測量，已被全球一百多個實驗室采用，目前使用量第一。我國的幾家國家實驗室也采用了這種反光鏡分布光度計。

近年來，隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展，LED產(chǎn)品的空間光分布測量越來越受到國際國內(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LED產(chǎn)品的空間光分布測量提出了新的要求，不僅要測試LED的空間光強分布，同時要測量空間色度不均勻性分布。此外，對于許多實驗室，空間場地制約了高性能設(shè)備的應(yīng)用，為了節(jié)約空間，目前我國也研發(fā)出了采用兩塊反光鏡的分布光度計。

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

三、LED產(chǎn)品的光生物輻射安全檢測和評估

隨著光生物學(xué)研究的發(fā)展，光輻射安全問題越來越引起人們的關(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。對人眼視網(wǎng)膜光輻射損傷的安全評估，需要測量300nm～700nm的藍光光化學(xué)危害的輻射亮度和380nm～1400nm的視網(wǎng)膜熱危害的輻射亮度，并需符合類似于人眼結(jié)構(gòu)的測量條件，對測試技術(shù)和裝備提出了較高要求。圖4是我國專家在美國國家標準與技術(shù)研究院NIST建立的基于人眼視網(wǎng)膜輻射亮度計的LED光生物輻射安全測試裝置。圖5是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LED光生物輻射安全檢測和評估系統(tǒng)，主要用于非激光類各種光源、燈具及電器產(chǎn)品中的光輻射源的光輻射安全測試和等級評價。我國不僅牽頭LED光生物輻射安全測量方法國際標準化活動，相應(yīng)的檢測設(shè)備也走在了國際領(lǐng)先行列。

四、LED壽命加速試驗

LED產(chǎn)品的壽命可達到數(shù)萬小時，如何進行產(chǎn)品的壽命評估，全球LED產(chǎn)業(yè)界都非常關(guān)注。可行的方法是基于LED結(jié)工作溫度的加速熱應(yīng)力試驗。美國LM-80標準規(guī)定了三種試驗溫度：85℃、55℃和自定義(25℃)，獲得LED在幾種溫度下的光衰退曲線，試驗時間為6000小時。我國正在起草的LED壽命加速試驗標準沒有對試驗溫度作具體規(guī)定，一般需根據(jù)LED結(jié)構(gòu)材料特性選定加速試驗熱應(yīng)力。圖6是我國自主研發(fā)的LED壽命和可靠性加速試驗裝置，可同時進行三個溫度區(qū)的試驗，每個溫度區(qū)可進行30個樣品的試驗。檢測系統(tǒng)實時檢測每一試驗LED樣品在規(guī)定電參數(shù)(正向電流)下的光強和色品坐標隨時間的衰退曲線。同時還實時記錄結(jié)溫(殼溫)和試驗中的電學(xué)參數(shù)，自動給出LED的有效壽命等等參數(shù)。

LED的潛力和優(yōu)勢不斷發(fā)展，未來五至十五年將是LED照明從傳統(tǒng)(替代型)照明進入革命性(人性化)照明的發(fā)展時期，產(chǎn)業(yè)界應(yīng)關(guān)注國際標準的動向，迎接新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。我國在國際標準化活動中，從早期的跟蹤和等同采用國際標準，以及本世紀初開始積極參與國際標準的制訂，到今天開始部分主導(dǎo)國際標準。經(jīng)過國際金融危機的動蕩，中國在國際舞臺上的地位正在發(fā)生新的變化，我國在半導(dǎo)體照明國際標準中的話語權(quán)也不斷增強，對我國在未來國際貿(mào)易中將產(chǎn)生重要影響。我國在半導(dǎo)體照明檢測技術(shù)和裝備有了重大進展，在國際上的地位日益提高，尤其在LED檢測技術(shù)標準的制訂中，我國在某些關(guān)鍵性國際標準的主導(dǎo)地位已得到肯定。