照明用LED的光電性能及測(cè)試儀器

1、照明用LED的光電性能及測(cè)試儀器一、前 言 發(fā)光二極管(LED是一種把電能直接轉(zhuǎn)換成光的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)等組成。照明用LED的性能與顯示用LED有一定的差別,其主要特性參數(shù)包括：工作電流和電壓、輸出光通量、發(fā)光效率、色品坐標(biāo)、色溫、顯色性、空間光強(qiáng)分布、溫度特性、光生物安全性等等。由于LED是一個(gè)定向輻射光源，帶有成像光學(xué)系統(tǒng)，而且是帶狀光譜輻射源，在光電性能測(cè)試中，因測(cè)試方法不統(tǒng)一，儀器性能的差別大以及操作的不規(guī)范等等因素，往往難以得到比較一致、準(zhǔn)確的結(jié)果。 針對(duì)LED特殊的光電特性,并按照國(guó)際照明委員會(huì)(CIE的要求，浙大三色公司在LED芯片、LED封裝、

2、組合LED燈具及材料測(cè)試等方面研制出了一系列極具特色的測(cè)試儀器,較好地解決了照明LED測(cè)試中的常見問(wèn)題.二、照明用LED的光電性能評(píng)價(jià) 1.電流/電壓參數(shù)（正、反向） LED的電性能具有典型的PN結(jié)伏安特性，不同的電流直接影響LED的發(fā)光亮度。在照明中應(yīng)用, LED燈應(yīng)具有大功率、高可靠性，良好的環(huán)境適應(yīng)性等特性。為了獲得大功率的LED燈，往往將許多個(gè)發(fā)光二極管通過(guò)一定的串并聯(lián)方式組合在一起，相關(guān)的各個(gè)LED的特性必須匹配，因此必須測(cè)試它們?cè)诠ぷ鼽c(diǎn)上的正向電流和正向壓降、反向漏電流和反向擊穿電壓以及不同溫度環(huán)境下的電參數(shù)的變化特性等等。 2、光通量和輻射通量 發(fā)光二極管單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的總電磁能

3、量稱為輻射通量，也就是光功率(W。對(duì)于照明用LED光源，我們更關(guān)心的是照明的視覺效果，即光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼感知的那部分當(dāng)量，稱作為光通量v(1m。光通量與器件的電功率比值表示LED的發(fā)光效率(lm/W，它是節(jié)能照明的關(guān)鍵指標(biāo)之一。 3、光強(qiáng)和發(fā)光角 無(wú)論是應(yīng)用于顯示或照明工程，LED的光強(qiáng)及其空間分布都是十分重要的參數(shù)。LED燈的定向發(fā)光特性，對(duì)于某些局部或定向照明往往會(huì)達(dá)到非常好的照明效果。 LED的發(fā)光強(qiáng)度指在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量： (c d 發(fā)光角（或光束角）通常用半強(qiáng)度角1/2表示，即在光強(qiáng)分布圖中光強(qiáng)大于等于峰值光強(qiáng)1/2時(shí)所包含的光束角度。 圖1 光譜分

4、布 4、光譜分布、峰值波長(zhǎng)和帶寬 LED的光譜功率分布既確定了發(fā)光的顏色，也確定了它的光通量以及它的顯色指數(shù)。通常用相對(duì)光譜功率分布S(表示，如圖1所示。光譜功率沿峰值兩邊下降到其值的50時(shí)，所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)波長(zhǎng)之差2-1，即為光譜帶寬。 5、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)和色純度 任何一種光源的顏色均可以用CIE1931XYZ色度系統(tǒng)中的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(x,y來(lái)表示，如圖2所示。 圖2 CIE1931XYZ色度系統(tǒng) 對(duì)于彩色LED，用主波長(zhǎng)和色純度則更能直觀地表達(dá)發(fā)光的顏色特性。LED的主波長(zhǎng)表明了顏色的色調(diào)，而色純度則代表了該顏色的鮮艷程度。 6、色溫和顯色指數(shù) 光源的發(fā)光顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí)

5、，則稱黑體的溫度為該光源的色溫(K。對(duì)于白光LED，其發(fā)光顏色往往與各種溫度下的黑體（完全輻射體）的色品坐標(biāo)都不可能完全相同，則采用相關(guān)色溫(CCT來(lái)表示。也就是當(dāng)光源的色品與完全輻射體在某一溫度下的色品最接近，則該完全輻射體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。 用于照明工程的LED，除表觀顏色外，更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現(xiàn)出來(lái)的顏色與該物體在完全輻射（如日光）下的顏色是否一致，即所謂的顯色特性。不同適應(yīng)場(chǎng)合對(duì)顯色指數(shù)有不同的要求，如表1。 表1 7、光生物安全性 在本世紀(jì)以前，照明光源的光生物安全性沒(méi)有象電氣安全性、溫度和機(jī)械安全性那樣受到重視。近幾年，隨著對(duì)光生物研究的深入

6、，照明光源的光生物安全性越受到關(guān)注。CIE、IEC及國(guó)家均制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目前常規(guī)的照明LED是基于蘭光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生混合光來(lái)實(shí)現(xiàn)白光，其中的蘭光部分是“視網(wǎng)膜蘭光危害”最敏感的區(qū)域。因此照明用LED主要應(yīng)考慮蘭光部分的光生物效應(yīng)，其暴輻值要求： J?m-2?Sr-1 其中B(是視網(wǎng)膜蘭光危害的作用函數(shù),見圖3所示. 圖3 光譜響應(yīng)曲線三、LED典型測(cè)試儀器 1、LED芯片發(fā)光測(cè)試 一般LED的芯片的面積只有0.1mm2的數(shù)量級(jí)，因此需采用專用的探針給LED供電，使其正常發(fā)光，通過(guò)顯微亮度計(jì)測(cè)量LED芯片表面的發(fā)光亮度。如圖4是SPR-920D顯微光譜輻射分析儀，測(cè)量LED發(fā)光芯片的光譜輻射

7、亮度分布、色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、色純度、主波長(zhǎng)、發(fā)光亮度等光色參數(shù)。該儀器中采用了根據(jù)國(guó)家專利設(shè)計(jì)的顯微發(fā)光指示器和三維微動(dòng)探針臺(tái)，保證測(cè)試芯片的準(zhǔn)確定位。 圖4 LED 顯微光譜輻射分析儀 2、LED封裝測(cè)試 目前LED封裝測(cè)試分為兩個(gè)階段。一是在線光電顏色快速測(cè)試。所需的儀器包括電性能分析儀（LED101）、智能顏色分析儀或快速光譜儀組成。在生產(chǎn)線上快速測(cè)試LED的正向電流、電壓、發(fā)光強(qiáng)度（或光能量）、色品坐標(biāo)、色溫、色純度、主波長(zhǎng)等參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)通常采用標(biāo)準(zhǔn)LED進(jìn)行定標(biāo)，如圖5。另一類是實(shí)驗(yàn)室品質(zhì)檢測(cè)，光色測(cè)量?jī)x器通常采用高精度光譜輻射計(jì)，并用國(guó)家計(jì)量傳遞鎢絲標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行校準(zhǔn)?？蓽?zhǔn)確測(cè)量LED的光譜功率分布、光通量、光功率、峰值波長(zhǎng)、帶寬、色品坐標(biāo)、色純度、主波長(zhǎng)、色溫、顯色指數(shù)等參數(shù)。光強(qiáng)分布則采用符合CIE127要求的變角光度計(jì)(PR-108A測(cè)量。 圖5 LED在線光色測(cè)試儀 3、組合LED燈(具測(cè)試 LED反射燈(具的測(cè)試可參照IEC的標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)于窄光束的LED燈，要求測(cè)光臂長(zhǎng)比燈的發(fā)光面直徑大20倍以上。目前最常用的是1m的測(cè)量距離。圖6是典型的測(cè)試 圖6 LED反射燈光強(qiáng)分布測(cè)試儀 4、LED熒光粉