普通照明用LED光源的特性 - 全文

1、概述

　　近年来LED的研发、生产和应用飞速发展。蓝光LED的发明使得LED应用于普通照明领域成为了可能，伴随着高效、大功率LED技术的不断突破，LED将最有可能成为本世纪应用最广泛的照明光源。


　　对于LED的特性，因其应用领域的不同需进一步统一认识，半导体行业和照明行业对LED的认识存在着明显的差别，用于指示（包括显示）目的LED的特性和用于照明目的LED的特性也有所不同，相应的物理测量方法和质量评估方法也各不相同，使用的仪器也存在着一定的差别，各实验室的测试条件也不尽相同。

　　由于上述原因，各实验室对同一LED给出不同的测量结果是经常发生的事。本文主要介绍照明LED的特性测量，介绍CIE在LED测量方面已取得的成果、 CIE第二分部（Division2）专家较为普遍认同的物理测量方法、以及基于现有CIE技术文件的专用测量仪器，并给出了典型的普通照明用LED光源的较为完整的物理测量报告。

　　2、普通照明用LED光源及其特性

　　普通照明LED，俗称“白光”LED。目前实现白光LED主要有两条途径：第一，用LED发出的蓝光激发荧光粉，再与荧光粉发出的“黄光”进行混光，最终得到白光；第二，用红、、绿、蓝三种不同的LED进接混光，得到白光。

　　普通照明用LED光源的典型结构示意图如图1-3所示。

　　无论是单个封装好的LED还是由LED串组成的LED光源，它都不是物理学上最容易理解和描述的点光源或朗伯光源，它是由多个等效点光源所组成的分散的点光源（象：虚象和实象均存在，一般多数为虚象）的集合。LED光源所对应的特定的点光源集合有着共同的特征：

　　（1）、在近场的不同距离下，其光强分布是不相同的；

　　（2）、在某一特定角度上（如法向），其近场发光强度不是恒定的，因而，照度随距离平方成反比定律不成立；

　　（3）、由于LED芯片与封装透镜的位置敏感性和LED芯片的不对称性，LED光源在不同的C平面上有不同的光强分布曲线；

　　（4）、目前已进入工业化生产的“白光”LED，其光谱混合是不均匀的，其颜色分布像光强分布曲线一样，是随距离和角度的不同而发生变化的，尤其是pcLED，往往存在一个色温很高的蓝色色中心。

　　3、普通照明用LED光源的测量方法和仪器

　　正是由于普通照明用LED光源存在着上述特性，其测量和品质评价就需要特定的方法和专用的设备仪器来解决。CIE制定了一些LED测量方面的标准，一些标准还在制定之中，部分标准将成为CIE/ISO以及CIE/IEC的联合标准，以统一国际间LED测量问题。中国虽然只有为数不多的科技工作者在从事 LED测量工作，但中国的LED测量方法和仪器一直在跟踪世界最新动态，并受到了CIE的重视。下面逐个介绍照明LED主要特性的物理测量方法与仪器。

　　3．1 平均法向光强的测量

　　平均法向光强是最常用的LED质量指标，CIE Publication No.127-1997给予了明确的规定和描述，图4明确表达了基本的测量方法，图5为基于CIE  Publication No.127的测量仪器，该仪器除能同时实现CIE Condition A、B外，还能让被测LED转动角度，实现在不同角度下测量LED平均光强。

　　3．2 平均光强分布曲线和绝对光强分布曲线的测量

　　事实上只要让图4中的LED以前面的顶点为中心沿θ角转动起来，在不同θ角下记录照度值，再根据距离平方反比定律计算出平均光强，那么所得的曲线即分别为在CIE Condition A、B下的平均光强分布曲线。

　　尽管上文已表述了LED不符合点光源的特性，不满足距离平方反比定律，但当距离足够大时，如：LED光源所对应的特定的点光源集合（象）的10倍，则距离平方反比定律又恢复为符合，由于此时探测器口径所形成的张角已足够小，“平均”一词已不再重要，并可以加上“绝对”一词，但一般可省略。图6是某1W照明 LED分别在CIE Condition A、B下的光强分布曲线。

　　特别需要注意的是，在测试LED平均和绝对光强分布曲线时一定要注意被测平面的选取，为了方便起见，本文定义LED引角中心所决定的平面为CO°平面，并在此平面上测量光强随θ角分布情况。在远距离（点光源条件下）的测试可能会涉及到较高灵敏度的宽线性动态范围的光照度计，这是相对较为昂贵的仪器，测试环境要求也相对较高。相关测试仪器如图7所示。

　　此外，由于LED光源是一种窄带光谱的光源，根据CIE Publication No.127的要求，对探测器进行按式（1）所述的SCF修正是必要的，但是实验表明，优质V（λ）探测器在对普通照明用LED光源测量时，即使不修正也能得到满意的结果，其不确定度可以做到±3%甚至更好。

　　3．3 光通量和颜色的测量

　　由于普通照明用LED光源所发出的光的光谱存在不均匀性，在测量LED颜色特性时应进行充分的混光，否则测量结果无法统一，因此对普通照明用LED光源而言，所测得的颜色严格地讲应是总平均值（totalaverage color）在积分球中测量光通量的同时测量颜色是较为合理的。中国在LED光通量和颜色测量方面有其独到之处，除遵守CIE一般的关于光和颜色测量出版物的规定外，中国在光通量和颜色测量时，还将积分法和分光法有机结合（简称“结合法”），这一创造性技术已申请专利。
本系统按CIE Publication No.84-1989的要求用Si-V（λ）探测器测量光通量，这种方法测量光通量有很好的宽线性动态范围。按CIE Publication No.63-1984用由单色仪和PMT构成的分光法测量照明LED的光谱功率分布，然后用CIE Publication No.127-1997中所述的SCF修正方法，实时自动较准Si- V（λ）探测器测量光通量系统。其修正系数为：

　　∫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）为被测光源的相对光谱功率，文章中应为普通照明用LED光源；

　　Pse（λ）为标准灯（通常为白炽灯或卤钨灯）的相对光谱功率；

　　document.write("");xno = xno+1;

　　R（λ）为Si-V（λ）探测器相对光谱灵敏度，包括积分球等效光谱透过率；[Page]

　　V（λ）为CIE光谱光视效率函数；

　　SCF为光谱失配校正系数。

　　在此系统中SCF的校正是十分容易的，因此光通量测量有极好的动态范围和测量精度，用单一标准灯实现对系统的高精度校正成为了可能。同时，系统又具备了与普通光谱法在小动态范围内（要求被测灯与标准灯光通量基本接近的苛刻条件）相同的异谱误差。如图9所示，结合法比普通光谱法的线性动态范围高5个数量组为由于在普通光谱法中，至少还要留出3个数量级的动态范围来扫描光谱相对功率分布，所以用标准灯定标好的普通光谱法的精度线必范围仅为1-2个数量级，是极其狭窄的。

　　由于照明LED的功率不断增大，单个LED和LED串均需测量（要求仪器动态范围大），而且LED的光谱分布又较为特殊，因此，结合法测量普通照明用LED光源的光通量和颜色的优势更为明显。

　　4、讨论

　　4．1 关于CIE Condition A和B

　　一般常用照度计的测量量程的最小值为0.1 lx，在100mm和316mm处所对应的光强分别为1mcd和10mcd，而以前的小功率LED的光强一般在1-2000mcd之间。因此，CIE Publication No.127-1997制定 Condition A和Condition B十分有利于LED法向光强的简便测量。

　　如今照明大功率LED不断被开发应用，照明用单个LED的功率已从几十mW向几W发展，提高了两个数量级，且发光效率也在不断提高，因此，LED平均法向光强有望提高2-3个数量级，这意味着1-1000cd的LED将更为常见。假如是这样，建议将CIE Condition A和B中的测量距离改为1m或3.16m，这一改动不仅普通的照明度计可以方便地测量照明LED，而且测量对照度计的孔径（灵敏面积）也不必作出严格的限定，测得的光强也不再是近场光强，距离平方反比定律因此又能恢复使用，测得的光强可改“平均”为“绝对”法向光强，测量结果对测试仪器的依赖性进一步减弱，更有利于国际间在工业和商贸中对LED的品质评定。

　　4．2 照明LED测量仪器的定标和标准灯

　　用LED作为二次标准光源对仪器进行定标，还是用常规的白炽灯类的标准灯对仪器进行定标，是一直被讨论的问题。作者认为条件较好的实验室应以白炽灯类的标准灯来对仪器进行定标，尤其是能精确测试SCF值的实验室，因为白炽灯类的标准灯有更好的稳定性和复现性。但对于条件较差的工厂和车间，用已被精确测定的同类型的LED来定标仪器，是一种非常实用的方法，使有时一定要注意LED的几何条件和环境温度。

　　4．3 测量LED光强时的定位基准

　　在测量光强和光强分布时，LED光源的定位基准十分重要，CIE No.127-1997虽已明确以机械轴心和前部顶点作为定位基准，但是由于LED光源的尺寸较小，实际操作时还是会导致由于定位误差而引起的较大测量误差，因此，是否以峰值光强轴心为参照定位基准更好，是值得进一步探讨的问题。

4．4 LED测试的环境条件

　　在LED测试中，除供电应用恒流方式外，几何条件和环境温度条件显得极为重要。如果在测量光强分布曲线时，不注意被测量的平面，或虽是同一平面但机械轴心对准出了问题，那么出现±20%甚至更大的误差是完全有可能的。

　　此外，LED光源是一个温度依赖性较强的光源，温度的上升可能会导致LED发光峰值波长的红移和光输出的快速衰减，因此，在LED测试中保持对环境温度的有效控制（如用恒温积分球），或对LED自身温度的监测是十分有意义的。这也是确保测量结果能够复现的最重要的条件之一。

　　5、结论

　　用上述测量方法和仪器对普通照明用LED的光源进行反复测试可实现良好的稳定性和复现性。这表明：在CIE现有文件的框架下，根据LED的独特特性，少量修正和调整某些CIE测量方法和条件，并进一步制订相应的CIE推荐方法，其普通照明用LED的特性测量问题是完全可以解决的。