普通照明用LED光源的特性

1、概述

近年來LED的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用飛速發(fā)展。藍(lán)光LED的發(fā)明使得LED應(yīng)用于普通照明領(lǐng)域成為了可能，伴隨著高效、大功率LED技術(shù)的不斷突破，LED將最有可能成為本世紀(jì)應(yīng)用最廣泛的照明光源。

中國(guó)政府和國(guó)際社會(huì)均對(duì)LED的發(fā)展給予了極大關(guān)注。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）第二分部即光和輻射測(cè)量分部（Division2：Measurement of Light and Radiation）專門針對(duì)LED的特性測(cè)量問題，已舉行了兩次由全球最著名的、最有代表性的專家參加的研討會(huì)議，并取得了一定的成果。但LED的物理測(cè)量問題，至今尚未全部解決。2004年6月CIE在日本再次舉行CIE LED專家研討會(huì)（CIE LED Expert Symposium），進(jìn)一步探討了LED的特性測(cè)量問題。

對(duì)于LED的特性，因其應(yīng)用領(lǐng)域的不同需進(jìn)一步統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，半導(dǎo)體行業(yè)和照明行業(yè)對(duì)LED的認(rèn)識(shí)存在著明顯的差別，用于指示（包括顯示）目的LED的特性和用于照明目的LED的特性也有所不同，相應(yīng)的物理測(cè)量方法和質(zhì)量評(píng)估方法也各不相同，使用的儀器也存在著一定的差別，各實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試條件也不盡相同。

由于上述原因，各實(shí)驗(yàn)室對(duì)同一LED給出不同的測(cè)量結(jié)果是經(jīng)常發(fā)生的事。本文主要介紹照明LED的特性測(cè)量，介紹CIE在LED測(cè)量方面已取得的成果、 CIE第二分部（Division2）專家較為普遍認(rèn)同的物理測(cè)量方法、以及基于現(xiàn)有CIE技術(shù)文件的專用測(cè)量?jī)x器，并給出了典型的普通照明用LED光源的較為完整的物理測(cè)量報(bào)告。

2、普通照明用LED光源及其特性

普通照明LED，俗稱“白光”LED。目前實(shí)現(xiàn)白光LED主要有兩條途徑：第一，用LED發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)熒光粉，再與熒光粉發(fā)出的“黃光”進(jìn)行混光，最終得到白光；第二，用紅、、綠、藍(lán)三種不同的LED進(jìn)接混光，得到白光。

普通照明用LED光源的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示。

無論是單個(gè)封裝好的LED還是由LED串組成的LED光源，它都不是物理學(xué)上最容易理解和描述的點(diǎn)光源或朗伯光源，它是由多個(gè)等效點(diǎn)光源所組成的分散的點(diǎn)光源（象：虛象和實(shí)象均存在，一般多數(shù)為虛象）的集合。LED光源所對(duì)應(yīng)的特定的點(diǎn)光源集合有著共同的特征：

（1）、在近場(chǎng)的不同距離下，其光強(qiáng)分布是不相同的；

（2）、在某一特定角度上（如法向），其近場(chǎng)發(fā)光強(qiáng)度不是恒定的，因而，照度隨距離平方成反比定律不成立；

（3）、由于LED芯片與封裝透鏡的位置敏感性和LED芯片的不對(duì)稱性，LED光源在不同的C平面上有不同的光強(qiáng)分布曲線；

（4）、目前已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的“白光”LED，其光譜混合是不均勻的，其顏色分布像光強(qiáng)分布曲線一樣，是隨距離和角度的不同而發(fā)生變化的，尤其是pcLED，往往存在一個(gè)色溫很高的藍(lán)色色中心。

3、普通照明用LED光源的測(cè)量方法和儀器

正是由于普通照明用LED光源存在著上述特性，其測(cè)量和品質(zhì)評(píng)價(jià)就需要特定的方法和專用的設(shè)備儀器來解決。CIE制定了一些LED測(cè)量方面的標(biāo)準(zhǔn)，一些標(biāo)準(zhǔn)還在制定之中，部分標(biāo)準(zhǔn)將成為CIE/ISO以及CIE/IEC的聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)，以統(tǒng)一國(guó)際間LED測(cè)量問題。中國(guó)雖然只有為數(shù)不多的科技工作者在從事 LED測(cè)量工作，但中國(guó)的LED測(cè)量方法和儀器一直在跟蹤世界最新動(dòng)態(tài)，并受到了CIE的重視。下面逐個(gè)介紹照明LED主要特性的物理測(cè)量方法與儀器。

3．1 平均法向光強(qiáng)的測(cè)量

平均法向光強(qiáng)是最常用的LED質(zhì)量指標(biāo)，CIE Publication No.127-1997給予了明確的規(guī)定和描述，圖4明確表達(dá)了基本的測(cè)量方法，圖5為基于CIE  Publication No.127的測(cè)量?jī)x器，該儀器除能同時(shí)實(shí)現(xiàn)CIE Condition A、B外，還能讓被測(cè)LED轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)在不同角度下測(cè)量LED平均光強(qiáng)。

3．2 平均光強(qiáng)分布曲線和絕對(duì)光強(qiáng)分布曲線的測(cè)量

事實(shí)上只要讓圖4中的LED以前面的頂點(diǎn)為中心沿θ角轉(zhuǎn)動(dòng)起來，在不同θ角下記錄照度值，再根據(jù)距離平方反比定律計(jì)算出平均光強(qiáng)，那么所得的曲線即分別為在CIE Condition A、B下的平均光強(qiáng)分布曲線。

盡管上文已表述了LED不符合點(diǎn)光源的特性，不滿足距離平方反比定律，但當(dāng)距離足夠大時(shí)，如：LED光源所對(duì)應(yīng)的特定的點(diǎn)光源集合（象）的10倍，則距離平方反比定律又恢復(fù)為符合，由于此時(shí)探測(cè)器口徑所形成的張角已足夠小，“平均”一詞已不再重要，并可以加上“絕對(duì)”一詞，但一般可省略。圖6是某1W照明 LED分別在CIE Condition A、B下的光強(qiáng)分布曲線。

特別需要注意的是，在測(cè)試LED平均和絕對(duì)光強(qiáng)分布曲線時(shí)一定要注意被測(cè)平面的選取，為了方便起見，本文定義LED引角中心所決定的平面為CO°平面，并在此平面上測(cè)量光強(qiáng)隨θ角分布情況。在遠(yuǎn)距離（點(diǎn)光源條件下）的測(cè)試可能會(huì)涉及到較高靈敏度的寬線性動(dòng)態(tài)范圍的光照度計(jì)，這是相對(duì)較為昂貴的儀器，測(cè)試環(huán)境要求也相對(duì)較高。相關(guān)測(cè)試儀器如圖7所示。

此外，由于LED光源是一種窄帶光譜的光源，根據(jù)CIE Publication No.127的要求，對(duì)探測(cè)器進(jìn)行按式（1）所述的SCF修正是必要的，但是實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)質(zhì)V（λ）探測(cè)器在對(duì)普通照明用LED光源測(cè)量時(shí)，即使不修正也能得到滿意的結(jié)果，其不確定度可以做到±3%甚至更好。

3．3 光通量和顏色的測(cè)量

由于普通照明用LED光源所發(fā)出的光的光譜存在不均勻性，在測(cè)量LED顏色特性時(shí)應(yīng)進(jìn)行充分的混光，否則測(cè)量結(jié)果無法統(tǒng)一，因此對(duì)普通照明用LED光源而言，所測(cè)得的顏色嚴(yán)格地講應(yīng)是總平均值（totalaverage color）在積分球中測(cè)量光通量的同時(shí)測(cè)量顏色是較為合理的。中國(guó)在LED光通量和顏色測(cè)量方面有其獨(dú)到之處，除遵守CIE一般的關(guān)于光和顏色測(cè)量出版物的規(guī)定外，中國(guó)在光通量和顏色測(cè)量時(shí)，還將積分法和分光法有機(jī)結(jié)合（簡(jiǎn)稱“結(jié)合法”），這一創(chuàng)造性技術(shù)已申請(qǐng)專利。

本系統(tǒng)按CIE Publication No.84-1989的要求用Si-V（λ）探測(cè)器測(cè)量光通量，這種方法測(cè)量光通量有很好的寬線性動(dòng)態(tài)范圍。按CIE Publication No.63-1984用由單色儀和PMT構(gòu)成的分光法測(cè)量照明LED的光譜功率分布，然后用CIE Publication No.127-1997中所述的SCF修正方法，實(shí)時(shí)自動(dòng)較準(zhǔn)Si- V（λ）探測(cè)器測(cè)量光通量系統(tǒng)。其修正系數(shù)為：

∫780380PTe（λ）•V（λ）•dV     ∫ 780380Pse（λ）• R（λ）•dλ

SFC =  ——------—————————— • ————---------————————

∫780380PTe（λ）•R（λ）•dV      ∫ 780380Pse（λ）•V（λ）•dλ

（1）式中：PTe（λ）為被測(cè)光源的相對(duì)光譜功率，文章中應(yīng)為普通照明用LED光源；

Pse（λ）為標(biāo)準(zhǔn)燈（通常為白熾燈或鹵鎢燈）的相對(duì)光譜功率；

document.write("");xno = xno+1;

R（λ）為Si-V（λ）探測(cè)器相對(duì)光譜靈敏度，包括積分球等效光譜透過率；[Page]

V（λ）為CIE光譜光視效率函數(shù)；

SCF為光譜失配校正系數(shù)。

在此系統(tǒng)中SCF的校正是十分容易的，因此光通量測(cè)量有極好的動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量精度，用單一標(biāo)準(zhǔn)燈實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的高精度校正成為了可能。同時(shí)，系統(tǒng)又具備了與普通光譜法在小動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)（要求被測(cè)燈與標(biāo)準(zhǔn)燈光通量基本接近的苛刻條件）相同的異譜誤差。如圖9所示，結(jié)合法比普通光譜法的線性動(dòng)態(tài)范圍高5個(gè)數(shù)量組為由于在普通光譜法中，至少還要留出3個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍來掃描光譜相對(duì)功率分布，所以用標(biāo)準(zhǔn)燈定標(biāo)好的普通光譜法的精度線必范圍僅為1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，是極其狹窄的。

由于照明LED的功率不斷增大，單個(gè)LED和LED串均需測(cè)量（要求儀器動(dòng)態(tài)范圍大），而且LED的光譜分布又較為特殊，因此，結(jié)合法測(cè)量普通照明用LED光源的光通量和顏色的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

4、討論

4．1 關(guān)于CIE Condition A和B

一般常用照度計(jì)的測(cè)量量程的最小值為0.1 lx，在100mm和316mm處所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分別為1mcd和10mcd，而以前的小功率LED的光強(qiáng)一般在1-2000mcd之間。因此，CIE Publication No.127-1997制定 Condition A和Condition B十分有利于LED法向光強(qiáng)的簡(jiǎn)便測(cè)量。

如今照明大功率LED不斷被開發(fā)應(yīng)用，照明用單個(gè)LED的功率已從幾十mW向幾W發(fā)展，提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且發(fā)光效率也在不斷提高，因此，LED平均法向光強(qiáng)有望提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著1-1000cd的LED將更為常見。假如是這樣，建議將CIE Condition A和B中的測(cè)量距離改為1m或3.16m，這一改動(dòng)不僅普通的照明度計(jì)可以方便地測(cè)量照明LED，而且測(cè)量對(duì)照度計(jì)的孔徑（靈敏面積）也不必作出嚴(yán)格的限定，測(cè)得的光強(qiáng)也不再是近場(chǎng)光強(qiáng)，距離平方反比定律因此又能恢復(fù)使用，測(cè)得的光強(qiáng)可改“平均”為“絕對(duì)”法向光強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果對(duì)測(cè)試儀器的依賴性進(jìn)一步減弱，更有利于國(guó)際間在工業(yè)和商貿(mào)中對(duì)LED的品質(zhì)評(píng)定。

4．2 照明LED測(cè)量?jī)x器的定標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)燈

用LED作為二次標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)儀器進(jìn)行定標(biāo)，還是用常規(guī)的白熾燈類的標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)儀器進(jìn)行定標(biāo)，是一直被討論的問題。作者認(rèn)為條件較好的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)以白熾燈類的標(biāo)準(zhǔn)燈來對(duì)儀器進(jìn)行定標(biāo)，尤其是能精確測(cè)試SCF值的實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)榘谉霟纛惖臉?biāo)準(zhǔn)燈有更好的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。但對(duì)于條件較差的工廠和車間，用已被精確測(cè)定的同類型的LED來定標(biāo)儀器，是一種非常實(shí)用的方法，使有時(shí)一定要注意LED的幾何條件和環(huán)境溫度。

4．3 測(cè)量LED光強(qiáng)時(shí)的定位基準(zhǔn)

在測(cè)量光強(qiáng)和光強(qiáng)分布時(shí)，LED光源的定位基準(zhǔn)十分重要，CIE No.127-1997雖已明確以機(jī)械軸心和前部頂點(diǎn)作為定位基準(zhǔn)，但是由于LED光源的尺寸較小，實(shí)際操作時(shí)還是會(huì)導(dǎo)致由于定位誤差而引起的較大測(cè)量誤差，因此，是否以峰值光強(qiáng)軸心為參照定位基準(zhǔn)更好，是值得進(jìn)一步探討的問題。

4．4 LED測(cè)試的環(huán)境條件

在LED測(cè)試中，除供電應(yīng)用恒流方式外，幾何條件和環(huán)境溫度條件顯得極為重要。如果在測(cè)量光強(qiáng)分布曲線時(shí)，不注意被測(cè)量的平面，或雖是同一平面但機(jī)械軸心對(duì)準(zhǔn)出了問題，那么出現(xiàn)±20%甚至更大的誤差是完全有可能的。

此外，LED光源是一個(gè)溫度依賴性較強(qiáng)的光源，溫度的上升可能會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)光峰值波長(zhǎng)的紅移和光輸出的快速衰減，因此，在LED測(cè)試中保持對(duì)環(huán)境溫度的有效控制（如用恒溫積分球），或?qū)ED自身溫度的監(jiān)測(cè)是十分有意義的。這也是確保測(cè)量結(jié)果能夠復(fù)現(xiàn)的最重要的條件之一。

5、結(jié)論

用上述測(cè)量方法和儀器對(duì)普通照明用LED的光源進(jìn)行反復(fù)測(cè)試可實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。這表明：在CIE現(xiàn)有文件的框架下，根據(jù)LED的獨(dú)特特性，少量修正和調(diào)整某些CIE測(cè)量方法和條件，并進(jìn)一步制訂相應(yīng)的CIE推薦方法，其普通照明用LED的特性測(cè)量問題是完全可以解決的。