检测LED光源及其光学特性

　　1.概述

　　LED作为新型光电发光器件，由于它的低碳环保体积小重量轻成本低寿命长的优势，正越来越受到人们的追捧，发展势头异常迅猛，是光电专家所始料不及的。LED不但广泛应用作于各种照明光源，指示标记灯，而且还大批量用于LCD的背光源，大有取代传统的荧光灯管而成为LCD电视的新宠。此外，LED还可以作为许多测量仪器的光源。

　　完全意义上的LED电视发展也很快，虽然它现在大多用于户外，由于他的高亮度和逼真的色彩以及动态效果极佳，走进千家万户也只是时间问题。因此，让我们全面认识LED这个新型小伙伴，就显得十分紧迫。

　　自1976年第一个红光LED问世以来，经过30年的发展，LED已形成各种光谱系列产品，单个LED的功率也从最初的零点零几瓦发展至几瓦乃至数十瓦。2001年白光LED研制成功，人们期待LED最终能进入照明领域，甚至进入家庭照明。最新白光LED的研究成果更是激动人心。

　　小功率LED的发光效率已达100lm/W。特别是RGB－LED的研究结果表明，LED也与常规三基色荧光灯一样，可以获得各种不同的色温和均匀的照明环境。

　　LED光源的进展和人们对它在照明领域中应用的期待，也对相应的光学检测技术有了新的要求。由于LED的光学特性与传统光源有较大差别，需要研究开发适应这种新型光源的测量方法。

　　2.LED光源

　　LED（Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80～90%。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm／W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm／W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm／W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED为20～28lm／W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。

　　大功率，指发光工率大，一般指0.5W，1W 3W 5W或更高的。光强与流明是比小功率大，但同样散热也很大，现在大功率都是单颗应用，加很大的散热片。小功率一般是0.06W左右的。插件和食人鱼等。现在LED手电一般是用小功率用的，光散不散，取决于LED的发光角度，有大角度小角度之分，小角度不散，大角度才散。

　　LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的，LED的角度越小它的亮度越高。 如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有几百MCD，如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了，亮度相差好几十倍了，如果是用于照明用的，在户外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，单个功率有1W，3W，5W，还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED，功率去到几百都有。

　　LED的发光原理

　　LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

　　而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

　　LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

　　假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

　　理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。

　　3.LED的分类

　　（1）按发光管发光颜色分

　　按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

　　根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。

　　（2）按发光管出光面特征分

　　按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。

　　由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

　　从发光强度角分布图来分有三类：

　　A.高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

　　B.标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

　　C.散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

　　（3）按发光二极管的结构分

　　按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

　　（4）按发光强度和工作电流分

　　按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

　　4.LED光学特性研究

　　国际照明委员会（CIE）技术委员会关于LED的技术特性的研究分为两个分部。即：视觉和颜色分部（D1）和光和辐射测量分部（D2）。白光LED的显色性和相关的计量问题正在研究，并已转发D1∶TC1－65，TC1－62这两个研究色表的目视测量和LED的显色性的文件草案。

　　TC1－62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》可能部分替代CIE 13.3－1995出版物。这两个文件已进入投票阶段。

　　TC1－62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》介绍了白光LED显色指数CRI的目视实验结果。

　　CIE 13.3－1995出版物中规定了CRI的计算方法，如果白光LED对CRI进行计算的结果与目视结果有矛盾，文件确定存在这一矛盾。技术报告的结论是：应用包括白光LED在内的显色性计算时，CIE CRI并不适用。技术委员会建议D1建立一组新的显色指数，这些显色指数不立即替代目前的CIE显色指数计算方法。新的显色指数作为CIE CRI的补充，在成功地应用组合新的显色指数后才能确定替代目前CRI的计算方法。D2成立专门的技术委员会TC 2－45研究LED的测量方法：TC 2－45文件《Mea-surement ofLEDS》正在投票中，它将会替代CIE 127出版物。