CIE與IEC的LED參數(shù)測量標(biāo)準(zhǔn)

●恒電流和一個(gè)溫度穩(wěn)定的電壓將導(dǎo)致LED 有一個(gè)穩(wěn)定的電功率消耗。不過須注意,不控制溫度上升的電功率穩(wěn)定將會導(dǎo)致一個(gè)非常不同的LED 運(yùn)行條件。輻射的相對功率分布將影響如下兩個(gè)方面:一是它將輕微地改變光強(qiáng)分布的形狀;二是當(dāng)溫度上升時(shí),整個(gè)分布將顯著地朝長波方向移動(dòng)(但藍(lán)光LED一般是向短波長方向移動(dòng)) 。

3.1.3 　溫度對輻射的影響

●表面看起來,不變的電流電壓似乎能提供LED 一個(gè)恒定的電功率。然而,如果不控制溫度則不可能得到穩(wěn)定的光功率輸出。原因是:LED 的相對功率分布一方面會隨溫度而發(fā)生輕微的改變,另一方面當(dāng)溫度上升時(shí),整個(gè)分布將朝長波方向漂移(對藍(lán)光LED 則向短波方向漂移) 。

　　
●只要溫度存在著變化,則LED 發(fā)出的輻射通量也總處于變化狀態(tài)中,即效率(efficiency) 在變化。對綠色單色管而言,因它處于∨(λ) 曲線的峰值附近,故而變化小一些。對紅光和藍(lán)光單色管而言,因處于∨(λ) 曲線的尾部,則變化要大一些。

　　
●管芯溫度升高的速率依賴于輸入的電功率和LED 封裝產(chǎn)品的熱容。在熱平衡以后管芯的溫度主要取決于管芯通過引腳向環(huán)境的散熱。因此,LED 結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能、引線長度和熱沉三者決定了管芯溫度。

　　
●在高的環(huán)境溫度下,當(dāng)電流固定時(shí),正向電壓會下降。而對此進(jìn)行調(diào)整以穩(wěn)定LED 的電功率消耗會影響芯片的溫度,從而影響LED 的端電壓。因此,電功率的穩(wěn)定不能作為一種改進(jìn)LED 光功率輸出的手段。

　　
3.2 　誤差的產(chǎn)生原因

因?yàn)長ED 的機(jī)械軸和光軸很少會重合, 加上LED 發(fā)光的面積、形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)總存在差別,故很難確定LED 的發(fā)光中心,從而導(dǎo)致角度和位置兩方面對準(zhǔn)的困難,增加了測量的不確定度。

　　
3.3 　光電探測器的性質(zhì)

　　CIE 推薦使用“硅光電二極管”,選用標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè):一是面響應(yīng)均勻性,即靈敏面上各點(diǎn)輸出的測試信號均相同;二是響應(yīng)與被測光的入射角無關(guān)。

3.4 　LED 的發(fā)光強(qiáng)度測量

●LED 不是點(diǎn)光源,距離平方反比定律不適用。

●因?yàn)長ED 沒有真正意義上的發(fā)光強(qiáng)度,折衷之下提出“平均發(fā)光強(qiáng)度”的說法。

●規(guī)定遠(yuǎn)場(條件A) 為316mm ,對應(yīng)的立體角為0.001Sr 。相應(yīng)的平面角為2°。規(guī)定近場(條件B) 為100mm ,對應(yīng)的立體角為0.01Sr。相應(yīng)的平面角為615°。兩者之間可用10 倍關(guān)系相互聯(lián)系。

3.5 　光通量的測量

●變角光度計(jì)法:以LED 的頂部為假想球心,光電探測器與LED 的距離為假想球半徑,然后把此假想球面分成N 個(gè)部分,假設(shè)每一部分的照度相同,則積分或累加后很容易得到總光通量。這是最準(zhǔn)確的絕對測量方法,缺點(diǎn)是測量時(shí)間長。

　　
●積分球法:這是一個(gè)相對測量儀器,故必須事前對其定標(biāo)。為了消除LED 自吸收的誤差,CIE 建議用一個(gè)輔助LED 插入積分球內(nèi)同時(shí)測量。
3.6 　光譜量的測量

　　
●與別的標(biāo)準(zhǔn)不同,CIE 增加了“中心波長”的概念:即波形半寬度的中間點(diǎn)所對應(yīng)的波長。這樣就解決了許多單色管的配光曲線在法向方向凹進(jìn)去的波長描述的困惑。其它如主波長、峰值波長和質(zhì)心波長各種標(biāo)準(zhǔn)中均有提及,此略。

　　
●對質(zhì)心波長要特別注意:由它的定義和公式可知,它強(qiáng)烈地受制于LED 光譜分布的形狀。即使光譜形狀有非常小的改變(尤其在紫外和紅外處) ,均可顯著地改變質(zhì)心波長的位置。

4 　對CIE 和IEC 提出的一些建議

4.1 　關(guān)于硅光電二極管靈敏面的面積

CIE 規(guī)定:靈敏面的面積為100mm2 (相應(yīng)的直徑為Φ1.13mm) ,且靈敏面必須是圓形。國產(chǎn)硅光電二極管由于質(zhì)量原因目前不宜使用,那么國外產(chǎn)品呢?日本濱松HamamatsuS1337 無窗系列的硅光電二極管的靈敏面尺寸為10 ×10 (mm2 ) ,并且美國UDT公司和EGG公司所制的硅光電二極管也大致為上述尺寸。若選用10mm 作為光電探測器靈敏面的直徑,則相應(yīng)的靈敏面面積僅為7815mm2 , 比CIE 的規(guī)定要小2.15mm2 ,面積減小20 %以上,造成量值的混亂。若用S6337 無窗系列, 它的靈敏面面積為18 ×18(mm2 ) ,取1.13mm 作直徑太浪費(fèi)。而且S1337 的價(jià)格1 000 元/ 只,而S6337 的價(jià)格為4 500 元/ 只。故此強(qiáng)烈建議CIE 把光電探測器靈敏面的直徑改為10mm。

4.2 　關(guān)于光電探測器的光譜靈敏度和∨(λ) 濾光器的匹配精度

兩者的匹配結(jié)果應(yīng)符合CIE1924 年頒布的明視覺函數(shù)曲線,其偏差一般用f1 表示。CIE 要求f1 1.5 % ,這樣太苛求了。因?yàn)槟壳笆澜缟稀?λ) 濾光器做得最好的是德國,f1 為1.5 %。目前, ∨(λ) 濾光器國內(nèi)的水平受制于材料(有色中性玻璃) 和工藝條件,只能做到4 %～5 %。根據(jù)國情, 我們認(rèn)為f1 定為2.2 %比較適合。

4.3 　關(guān)于單色管發(fā)光強(qiáng)度光譜分布的帶寬

在測量LED 的輻射強(qiáng)度時(shí),帶寬是一個(gè)重要的因子,而相應(yīng)波形下的面積即是單色管的總光通量。但提及光譜分布必須涉及到單色儀。實(shí)質(zhì)上單色儀是波長可變的濾波器。根據(jù)濾波理論,輸出信號是輸入信號和儀器本身傳遞函數(shù)的卷積,只有去除了這個(gè)卷積,才能得到正確的波形。所以單色LED 通過單色儀時(shí),帶寬必然增加,俗稱“儀器加寬”。這個(gè)現(xiàn)象只有用狹縫函數(shù)[7 ] 才能正確處理。至于光柵加線陣CCD 的LED 色度儀,其儀器加寬效應(yīng)更加明顯,在此不予討論。此外,建議CIE 規(guī)定單色儀入P出射狹縫的寬度,因?yàn)椴ㄐ蔚膸捙c此也密切相關(guān)。
　
4.4 　色溫修正
　　
考慮到發(fā)光強(qiáng)度的國家基準(zhǔn)和總光通量的國家副基準(zhǔn)大多數(shù)為2 856K的A 光源作為標(biāo)準(zhǔn)燈,而LED的色溫目前普遍在4 000～7 000K之間,所以必須進(jìn)行色溫修正,修正量一般為3 %左右。色溫修正的前提是必須知道所用光電探測器的光譜響應(yīng)曲線。

5 　結(jié)束語
　
由于標(biāo)準(zhǔn)的制定遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐,導(dǎo)致國內(nèi)外的測量標(biāo)準(zhǔn)(草稿) 滿足不了產(chǎn)業(yè)界的要求。限于水平,雖然有不少謬誤之處,筆者仍希望此文有助于正式標(biāo)準(zhǔn)的制定。