LED檢測技術(shù)及設(shè)備進(jìn)展研究

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

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC是聯(lián)合國的一級技術(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(biāo)準(zhǔn)，將促進(jìn)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(lán)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)、我國正在制訂的LED壽命加速試驗方法標(biāo)準(zhǔn)。

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(dāng)前產(chǎn)業(yè)急需的先進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)。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(qiáng)，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST研制的LED標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(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。對人眼視網(wǎng)膜光輻射損傷的安全評估，需要測量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(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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到數(shù)萬小時，如何進(jìn)行產(chǎn)品的壽命評估，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。美國LM-80標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行三個溫度區(qū)的試驗，每個溫度區(qū)可進(jìn)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(qiáng)和色品坐標(biāo)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的動向，迎接新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我國在國際標(biāo)準(zhǔn)化活動中，從早期的跟蹤和等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)，以及本世紀(jì)初開始積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制訂，到今天開始部分主導(dǎo)國際標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過國際金融危機(jī)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(biāo)準(zhǔn)中的話語權(quán)也不斷增強(qiáng)，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(jìn)展，在國際上的地位日益提高，尤其在LED檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂中，我國在某些關(guān)鍵性國際標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)地位已得到肯定。