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)和應用飛速發(fā)展。藍光LED的發(fā)明使得LED應用于普通照明領(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應用最廣泛的照明光源。

中國政府和國際社會均對LED的發(fā)展給予了極大關(guān)注。國際照明委員會（CIE）第二分部即光和輻射測量分部（Division2：Measurement of Light and Radiation）專門針對LED的特性測量問題，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議，并取得了一定的成果。但LED的物理測量問題，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（CIE LED Expert Symposium），進一步探討了LED的特性測量問題。

對于LED的特性，因其應用領(lǐng)域的不同需進一步統(tǒng)一認識，半導體行業(yè)和照明行業(yè)對LED的認識存在著明顯的差別，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，相應的物理測量方法和質(zhì)量評估方法也各不相同，使用的儀器也存在著一定的差別，各實驗室的測試條件也不盡相同。

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

2、普通照明用LED光源及其特性

普通照明LED，俗稱“白光”LED。目前實現(xiàn)白光LED主要有兩條途徑：第一，用LED發(fā)出的藍光激發(fā)熒光粉，再與熒光粉發(fā)出的“黃光”進行混光，最終得到白光；第二，用紅、、綠、藍三種不同的LED進接混光，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。

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

（1）、在近場的不同距離下，其光強分布是不相同的；

（2）、在某一特定角度上（如法向），其近場發(fā)光強度不是恒定的，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芯片的不對稱性，LED光源在不同的C平面上有不同的光強分布曲線；

（4）、目前已進入工業(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，往往存在一個色溫很高的藍色色中心。

3、普通照明用LED光源的測量方法和儀器

正是由于普通照明用LED光源存在著上述特性，其測量和品質(zhì)評價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測量方面的標準，一些標準還在制定之中，部分標準將成為CIE/ISO以及CIE/IEC的聯(lián)合標準，以統(tǒng)一國際間LED測量問題。中國雖然只有為數(shù)不多的科技工作者在從事 LED測量工作，但中國的LED測量方法和儀器一直在跟蹤世界最新動態(tài)，并受到了CIE的重視。下面逐個介紹照明LED主要特性的物理測量方法與儀器。

3．1 平均法向光強的測量

平均法向光強是最常用的LED質(zhì)量指標，CIE Publication No.127-1997給予了明確的規(guī)定和描述，圖4明確表達了基本的測量方法，圖5為基于CIE Publication No.127的測量儀器，該儀器除能同時實現(xiàn)CIE Condition A、B外，還能讓被測LED轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)在不同角度下測量LED平均光強。

3．2 平均光強分布曲線和絕對光強分布曲線的測量

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

盡管上文已表述了LED不符合點光源的特性，不滿足距離平方反比定律，但當距離足夠大時，如：LED光源所對應的特定的點光源集合（象）的10倍，則距離平方反比定律又恢復為符合，由于此時探測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”一詞，但一般可省略。圖6是某1W照明 LED分別在CIE Condition A、B下的光強分布曲線。

特別需要注意的是，在測試LED平均和絕對光強分布曲線時一定要注意被測平面的選取，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，并在此平面上測量光強隨θ角分布情況。在遠距離（點光源條件下）的測試可能會涉及到較高靈敏度的寬線性動態(tài)范圍的光照度計，這是相對較為昂貴的儀器，測試環(huán)境要求也相對較高。相關(guān)測試儀器如圖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，對探測器進行按式（1）所述的SCF修正是必要的，但是實驗表明，優(yōu)質(zhì)V（λ）探測器在對普通照明用LED光源測量時，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，在測量LED顏色特性時應進行充分的混光，否則測量結(jié)果無法統(tǒng)一，因此對普通照明用LED光源而言，所測得的顏色嚴格地講應是總平均值（totalaverage color）在積分球中測量光通量的同時測量顏色是較為合理的。中國在LED光通量和顏色測量方面有其獨到之處，除遵守CIE一般的關(guān)于光和顏色測量出版物的規(guī)定外，中國在光通量和顏色測量時，還將積分法和分光法有機結(jié)合（簡稱“結(jié)合法”），這一創(chuàng)造性技術(shù)已申請專利。

本系統(tǒng)按CIE Publication No.84-1989的要求用Si-V（λ）探測器測量光通量，這種方法測量光通量有很好的寬線性動態(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，實時自動較準Si- V（λ）探測器測量光通量系統(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）為被測光源的相對光譜功率，文章中應為普通照明用LED光源；

Pse（λ）為標準燈（通常為白熾燈或鹵鎢燈）的相對光譜功率；

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

R（λ）為Si-V（λ）探測器相對光譜靈敏度，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，因此光通量測量有極好的動態(tài)范圍和測量精度，用單一標準燈實現(xiàn)對系統(tǒng)的高精度校正成為了可能。同時，系統(tǒng)又具備了與普通光譜法在小動態(tài)范圍內(nèi)（要求被測燈與標準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態(tài)范圍高5個數(shù)量組為由于在普通光譜法中，至少還要留出3個數(shù)量級的動態(tài)范圍來掃描光譜相對功率分布，所以用標準燈定標好的普通光譜法的精度線必范圍僅為1-2個數(shù)量級，是極其狹窄的。

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

4、討論

4．1 關(guān)于CIE Condition A和B

一般常用照度計的測量量程的最小值為0.1 lx，在100mm和316mm處所對應的光強分別為1mcd和10mcd，而以前的小功率LED的光強一般在1-2000mcd之間。因此，CIE Publication No.127-1997制定 Condition A和Condition B十分有利于LED法向光強的簡便測量。

如今照明大功率LED不斷被開發(fā)應用，照明用單個LED的功率已從幾十mW向幾W發(fā)展，提高了兩個數(shù)量級，且發(fā)光效率也在不斷提高，因此，LED平均法向光強有望提高2-3個數(shù)量級，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中的測量距離改為1m或3.16m，這一改動不僅普通的照明度計可以方便地測量照明LED，而且測量對照度計的孔徑（靈敏面積）也不必作出嚴格的限定，測得的光強也不再是近場光強，距離平方反比定律因此又能恢復使用，測得的光強可改“平均”為“絕對”法向光強，測量結(jié)果對測試儀器的依賴性進一步減弱，更有利于國際間在工業(yè)和商貿(mào)中對LED的品質(zhì)評定。

4．2 照明LED測量儀器的定標和標準燈

用LED作為二次標準光源對儀器進行定標，還是用常規(guī)的白熾燈類的標準燈對儀器進行定標，是一直被討論的問題。作者認為條件較好的實驗室應以白熾燈類的標準燈來對儀器進行定標，尤其是能精確測試SCF值的實驗室，因為白熾燈類的標準燈有更好的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性。但對于條件較差的工廠和車間，用已被精確測定的同類型的LED來定標儀器，是一種非常實用的方法，使有時一定要注意LED的幾何條件和環(huán)境溫度。

4．3 測量LED光強時的定位基準

在測量光強和光強分布時，LED光源的定位基準十分重要，CIE No.127-1997雖已明確以機械軸心和前部頂點作為定位基準，但是由于LED光源的尺寸較小，實際操作時還是會導致由于定位誤差而引起的較大測量誤差，因此，是否以峰值光強軸心為參照定位基準更好，是值得進一步探討的問題。

4．4 LED測試的環(huán)境條件

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

此外，LED光源是一個溫度依賴性較強的光源，溫度的上升可能會導致LED發(fā)光峰值波長的紅移和光輸出的快速衰減，因此，在LED測試中保持對環(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)測是十分有意義的。這也是確保測量結(jié)果能夠復現(xiàn)的最重要的條件之一。

5、結(jié)論

用上述測量方法和儀器對普通照明用LED的光源進行反復測試可實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性。這表明：在CIE現(xiàn)有文件的框架下，根據(jù)LED的獨特特性，少量修正和調(diào)整某些CIE測量方法和條件，并進一步制訂相應的CIE推薦方法，其普通照明用LED的特性測量問題是完全可以解決的。