CIE與IEC的LED參數(shù)測量標準

引言

LED 技術(shù)雖然已經(jīng)有40 多年的發(fā)展歷史,在產(chǎn)業(yè)界依然存在LED 光學參數(shù)測試再現(xiàn)性差,測量不確定度大,不同測試裝置之間的測試結(jié)果一致性差等現(xiàn)象[1～3 ] 。究其原因,如同國內(nèi)對LED 產(chǎn)業(yè)存在多頭管理,國際上也一樣: 國際半導體設(shè)備與材料組織(SEMI) ,國際電工委員會( IEC) 和國際照明委員會(CIE) 都程度不同地涉及到LED ,尤其是后兩個委員會。正是由于LED 的相關(guān)測量標準是由國際上不同的標準化組織制定的,而且各個國際組織總體上沒有系統(tǒng)的規(guī)劃,相關(guān)組織間也沒有充分協(xié)商,因而存在不同的質(zhì)量評價體系,所頒文件的技術(shù)內(nèi)容也不盡相同。IEC 成立于1906 年,它把LED 作為一個顯示用半導體器件處理,側(cè)重于它的物理特性。CIE 成立于1913 年,它更多地把LED 作為一個光源器件處理,所以導致各自的LED 測量標準之間存在微小的差異。本文試圖通過比較各自的標準,找出兩者的不同之處,以便為LED 測試方法標準的最終定稿提供一些參考。

1 　CIE 和ICE 對同一事件的不同表述

1.1 　發(fā)光(輻射) 效能的定義

首先,必須修正對這個術(shù)語的誤解,發(fā)光(輻射)效率(efficiency) 用在此文中是不妥的,因為效率是指無量綱的物理量,而此處是有量綱的。所以,正確的叫法是“發(fā)光(輻射) 效能(efficacy) ”。

發(fā)光(輻射) 效能的定義:

CIE 定義:LED 發(fā)出的光通量(輻射通量) 與耗費電功率之比。

IEC 定義:LED 發(fā)出的光通量(輻射通量) 與耗費正向電流之比[4 ] 。

評論:CIE 的發(fā)光效能要測3 個物理量:總光通量,正向電流,正向電壓(或內(nèi)阻) 。而IEC 只需測量兩個物理量:總光通量、正向電流。它沒有選擇正向電壓是很明智的,因正向電壓會隨管芯溫度的升高而下降。作者認為,IEC 的定義是不夠嚴謹?shù)?。因為即使對于同一批次的管芯和封裝,管芯的內(nèi)阻及端電壓存在微小差異,所以僅適用于對發(fā)光(輻射) 效能允許有一定變動范圍的情況。這樣測試時間將縮短,因只需測量兩個物理量。

1.2 　發(fā)光強度的測量距離

CIE[5 ] 規(guī)定了發(fā)光強度的測量距離有兩種:遠場(條件A) 為316mm ,對應(yīng)的立體角為01001Sr ; 近場(條件B) 為100mm ,對應(yīng)的立體角為0101Sr :兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換,遠場測量結(jié)果乘以10 就得到近場測量結(jié)果。

　　
IEC[6 ]規(guī)定的測量距離僅為近場(條件B) ,立體角 0101Sr ; (為什么不寫等于0101Sr ?) 。

　　
對測量距離,CIE 明確規(guī)定從LED 的外殼頂端到光探測器的靈敏面。而IEC 規(guī)定得比較模糊。

　　
評論:表面看起來,遠場測量比近場測量有時候不確定度要小,因為在此條件下對測量距離、電流和雜散光的要求可相對低一些。但同時,LED 安裝傾角的影響卻相對增大,這可是一個大誤差源。一般而論,遠場條件可適用強照明及封裝產(chǎn)品,而近場條件適用于弱照明和芯片、指示燈和背光源等。故均有存在的必要性。其次,CIE 在邏輯上不夠嚴謹。首先,它用很大篇幅說明了LED 不是點光源,故距離平方反比定律不成立,發(fā)光強度這個概念也不適用。另外在實踐上,它實際上是測量LED 在光電探測器靈敏面上的照度,然后乘以距離的平方而得到發(fā)光強度。這樣,曾經(jīng)被否定的距離平方反比定律實際上仍用到了。

　　
1.3 　測量的外部條件

　　
CIE 明確規(guī)定測量的環(huán)境溫度為25 ℃,但沒提及大氣條件。

　　
IEC 則在籠統(tǒng)地提到環(huán)境溫度的同時,也強調(diào)了適宜的大氣條件。

　　
評論:根據(jù)作者長期對硅光電二極管深入研究的經(jīng)驗,LED 參數(shù)與大氣條件諸如大氣壓、濕度、潔凈度等有關(guān)是肯定的,只是尚未做這方面的實驗來予以證實。

　　
2 　IEC 提及卻被CIE 遺漏的內(nèi)容

　　
2.1 　CIE 沒有提到LED 輻射強度的測量,這實際上是一個非常重要的物理量

　　
IEC 則用較大篇幅提到這一點。其一,指出輻射強度的測量定位應(yīng)是機械軸方向(法向輻射強度) ;其二,提到要用無光譜選擇性的探測器如熱電偶堆等熱電探測器作為標準探測器:其三,提到要用近場測量。輻射強度對紅外發(fā)光二極管( IRED) 尤其重要。

　　
2.2 　CIE 沒有提到脈沖測量

　　
既然市場上有“閃光LED”,閃光頻率約為113～512Hz ,所以必須有相應(yīng)的測量方法。

　　
IEC 規(guī)定,對閃光LED 的測量,光探測器的上升時間應(yīng)該足夠小,而且應(yīng)該能讀取脈沖的峰值。

　　
IEC 規(guī)定,為了測量峰值波長的帶寬,單色LED的波長分辨率和帶寬應(yīng)能夠調(diào)節(jié),以便測量有足夠的精度。輻射計的光譜響應(yīng)進行校正,不妨假定峰值波長為100 % ,以便作歸一化處理。IEC 指出,若單色儀的透射因子和輻射計的靈敏度在所測量的波長范圍內(nèi)不是常數(shù),則要對測量值做相應(yīng)的修正。

2.3 　CIE 沒有提到LED 暗電流的測量

　　
IEC 強調(diào)指出,LED 暗電流的測量對溫度非常敏感,所以測量精度極大地依賴于環(huán)境溫度。另外,雜散光也是一個因素,測量最好在全黑環(huán)境下進行。工作電流也必須從零開始慢慢往上調(diào)節(jié)。

　　
2.4 　CIE 沒有提到總電容測量時的頻率

　　
由LED 和光晶體管組成的光耦合器,LED 在其中起著開關(guān)作用。其抗干擾能力比一般方法強。電容測量儀的最小分辨率≮1PC ,而電容的測試頻率規(guī)定為1MHz ,這對LED 總電容的測量可能有借鑒作用。

　　
現(xiàn)行標準只籠統(tǒng)地提到“規(guī)定頻率”一詞,到底用多大頻率測量總電容尚無規(guī)定。

　　
2.5 　CIE 沒有提到LED 的開關(guān)時間

　　
IEC 明確提到了光耦合器的開關(guān)時間。如上升時間tr ,開啟時間ton ,關(guān)閉延遲時間td ,下降時間tf ,關(guān)閉時間toff 等。

　　
3 　CIE 提及卻被IEC 所遺漏的內(nèi)容

　　
與上節(jié)相比,這方面的內(nèi)容就太多了,故只能點到為止。

　　
3.1 　LED 的性質(zhì)

　　
3.1.1 　LED 的光學性質(zhì)

　　
●發(fā)光強度的空間分布強調(diào)了對芯片的封裝經(jīng)常會改變它原來的光譜和空間分布。

　　
●相對于其它光源而言,LED 的光譜分布既不是單色的(與激光束比) ,也不是寬帶的(與白熾燈比) 。

　　
●LED 的發(fā)光面積,由于包裝和透鏡、反光鏡等的不同,而有不同的尺寸和形狀。與測量距離相比,LED 的發(fā)光面積大到不再是點光源。

　　
3.1.2 　LED 的電學性質(zhì)

●正向電壓:它的精確測量最好用4 線測量方法,而隨著管芯溫度的上升正向電壓會下降。由于LED管芯發(fā)熱的作用,剛開啟的時候,輻射功率上升的速度快于電功率的上升。而到了平穩(wěn)工作期間,LED 的光輻射又強烈地依賴于正向電流。

●由于溫度和電壓之間的復(fù)雜關(guān)系,不推薦用穩(wěn)定的電功率作為穩(wěn)定的LED 光輸出功率的前提。

●正向電壓與組成LED 的半導體材料相關(guān):在正向電流20mA 的前提下,紅外管的端電壓是112V ,藍光管為615V ,其它的管子在這個范圍以內(nèi)。

●CIE 規(guī)定,測量時的環(huán)境溫度為25 ℃,但供給LED電源的接觸點,管芯和熱沉之間引線的長度和電阻均會顯著地影響測量結(jié)果。

●CIE 也提到輻射效率是電流的函數(shù)。因為工作電流的增加不但會增加LED 光功率的輸出量,而且會提高芯片溫度,后者反過來又會影響到LED 的光功率輸出。如果對工作電流進行調(diào)制,則芯片溫度會產(chǎn)生起伏現(xiàn)象,導致在同樣的電流下,平均光功率輸出不