LED基礎(chǔ)知識：光色的測量（圖解）
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發(fā)光二極管（led）作為新興的發(fā)光體，具有電光效率高、體積小、壽命長、電壓低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，是下一代照明器件的不二之選。LED的發(fā)展受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。近年來，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光效不斷增加，亮度不斷提高，如今，LED已經(jīng)滲透到了大量的應(yīng)用場合，尤其是白光LED技術(shù)的不斷進步，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)越來越普及。
圖1：LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
1、LED的工作原理
發(fā)光二極管（LED）是一種能把電能轉(zhuǎn)化為光能的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)等組成。LED的基本的工作原理是一個電光轉(zhuǎn)換過程，當(dāng)一個正向偏壓施加于PN結(jié)兩端，由于PN結(jié)勢壘的降低，P區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子也向P區(qū)擴散，同時在兩個區(qū)域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子是不穩(wěn)定的，對于PN結(jié)系統(tǒng)，注入到價帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，電子和空穴的能量差越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。能量級差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長就不同，相應(yīng)的光的顏色就不同。
圖2：LED的工作原理
2、LED的光參數(shù)
（1）光通量
光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量，也即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。光通量的符號為Φ，單位為流明（lm）。根據(jù)光譜輻射通量Φ（λ），由下式可確定光通量。
式中V（λ）為相對光譜光視效率，Km為輻射的光譜光視效能的最大值，單位為lm/W，1977年由國際計量委員會確定Km值為683lm/W（λm=555nm）。
（2）光強度
光源在給定方向上的發(fā)光強度是該光源在該方向的立體角元dΩ內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟Φ除以該立體角元之商，即：
發(fā)光強度的單位是坎德拉（cd），1cd=1lm/1sr。空間各個方向的光強之和就是光通量。
（3）光亮度
光源發(fā)光表面上某一點處的亮度是該面元dS在給定方向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之商，即：
單位為坎德拉每平方米（cd/㎡）。當(dāng)發(fā)光表面與測量方向垂直時，則cosθ=1。
（4）光照度
表面上一點的照度是入射在包含該點面元上的光通量dΦ除以該面元面積dS之商。即：
單位為勒克斯（lx），1lx=1lm/㎡。
（5）其它
光譜、色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等。
圖4：其他參數(shù)
3、LED光色測量的必要性
?。?）避免危害
LED與傳統(tǒng)的照明燈不同，它具有點光源、高亮度、窄光束輸出等特點。當(dāng)LED應(yīng)用于照明器具時，如果對出光角不加嚴(yán)格的控制就會產(chǎn)生強烈的眩光，某些高亮度LED產(chǎn)品甚至?xí)θ梭w造成一定的光輻射危害。光色測量可為LED的安全使用提供指導(dǎo)。
（2）促進LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
LED的光色測量能提供大量的實驗數(shù)據(jù)，可作為判定LED產(chǎn)品合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，并可為改進LED的設(shè)計、制造提供依據(jù)。
二、LED的光色測量
1、光通量
（1）積分法
測得LED在各個方向的光強，然后由這些光強值計算得到LED的總光通量。
圖5：積分球法測LED光通量
（2）積分球法
積分球又稱為光通球，是一個中空的完整球殼。內(nèi)壁涂白色漫反射層，且球內(nèi)壁各點漫射均勻。光源在球壁上任意一點上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可得，球面上任意一點的光照度為與光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈進行比較得到被測燈的光通量，如圖6（a）所示。
但是由于標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈的物理結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)的不同，如吸收，在利用積分球法測試光通量時需要對測試結(jié)果進行修正，可采用輔助燈的方法，如圖6（b）所示。
圖6：積分球法測LED光通量
圖7：LED的2p立體角光通量測試
（3）2p立體角光通量的測試
利用積分球法測試LED光通量時還有一種測試結(jié)構(gòu)，如圖7所示，稱為前射光通量的測試或2p立體角光通量。該測試并不是測試LED的總光通量，但是人們常常將其與測試LED的總光通量混淆。
2、光強度
對于LED的光強的測試，CIE-127規(guī)定了兩種測試條件，如圖8和表1所示。
圖8：LED光強測試
表1：CIE-127規(guī)定了兩種測試條件
3、光亮度
LED亮度的測試一般應(yīng)用于測試LED芯片的亮度和評價LED光輻射安全性的過程中。測試一般采用成像法，對于芯片的測試可以采用顯微成像進行測量（圖9（b））。
圖9：LED亮度測試
4、光照度
光照度實際上并不能算是LED的光學(xué)參數(shù)，照度是表示被照射表面受照程度的光學(xué)量。而且測試單個LED的對某點或某面的照度沒有太大意義，因為一般情況下對實際場合的照明都是由多個LED共同完成的。
5、其它參數(shù)
色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相
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