光学性能检测

    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，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。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。

    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。

    5.LED发光效率极限值

    长期以来，半导体研究探索各种新技术以提高LED的内、外量子效率，2006年已有小功率白光LED发光效率达100lm/W的报导。为确定合理的LED发光效率期待值，需要从光度学、色度学的基础上计算LED发光效率极限值。

    1979年10月，第十届国际计量大会（CGPM）定义了新坎德拉（cd）。坎德拉（cd）为发出单色辐射频率540.0154×1012Hz（波长555nm）的光源在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为：

    1cd＝（1/683）W/sr（波长555nm）；1cd＝1lm/sr；1W＝683lm（波长555nm）。

    如果忽略供电损耗、内量子效率、外量子效率数值，可以计算出各种光源和LED的发光效率极限值。

    人眼光谱光效率与理想等能白光的光谱功率分布不尽相同。由于人眼的光谱响应特性，理想等能白光经加权计算后，可以得到在可见光谱范围内的理想等能白光极限发光效率为182.45lm/W。

    在照明领域中，一种新型光源的诞生，其寿命、光效是重要的质量指标，但它对各种颜色的显色特性是照明光环境的另一重要质量指标。低压钠灯的2条黄色光谱线的理论发光效率可达450lm/W，实际光效超过200lm/W。但由于它的显色特性差，最终被高压钠灯、金卤灯所替代。

    考察LED这一新型光源，在牺牲一些显色性指数Ra的条件下与理想等能白光比较，白光LED的极限发光效率还会高一些，大约在200lm上下。对于一个实际应用于照明领域中的白光LED，发光效率的目标值设定在150～160lm/W是合理的。

    除了照明应用的白光LED外，各种光谱的LED的发光效率也可根据数据进行估算。红（643nm）、绿（535nm）、蓝（460nm）的LED作为三基色，其极限发光效率值也可根据数据进行估算。

    6.LED与传统光源的比较

    LED与传统光源的比较有以下特点：

    （1）LED体积小，有各种不同的外形尺寸，适用于不同应用场所。

    （2）LED具有多种颜色，紫外、紫色、绿色、黄色、红色到红外，白光LED光谱。

    （3）LED光学参数与温度有关；（4）LED光学参数与观察角度有关；（5）LED有各种不同的配光曲线，而且没有确定的光轴。

    LED的上述特性，给LED光学特性的测量带来很多问题。

    7.LED光学特性的测量

    LED的光学特性检测应从下面几个特性来考虑：

    （1）发光强度（cd）

    光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为cd，它表示光源在某单位球面度立体角（该物体表面对点光源形成的角）内发射出的光通量。1cd = 1lm/1sr（sr：立体角的球面度单位）。

    LED的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光强度小，所以发光强度常用烛光（坎德拉，mcd）作单位。

    由于LED的结构特点，为提高其发光效率，在其底部配装反射器，实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点，它并不是一个点光源。因此，在评价LED发光强度时，光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件。

    应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。A和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行，因此被称为“平均发光强度”（ALI）。

    关于测量探测器的修正：由于测量探测器的配匹误差将造成“平均发光强度”（ALI）的测量误差，配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重，采用光谱修正方法可以提高测量。

    对LED发光强度测量仪器的要求：

    A.测量立体角要正确dΩ＝0.001sr（A条件）dΩ＝0.01sr（B条件）。

    B.测量机械轴正确；C.有效的防杂散光设计；D.精密的V（λ）光探测器；E.提供V（λ）光探测器光谱数据，便于修正测量值；F.配备高稳定性的供电电源。

    （2）总光通量（lm）

    由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。光通量用符号Φ表示，单位为流明（lm）。

    LED光通量的测量，应用分布式光度计可对LED总光通量进行测量（探测器光谱响应曲线已修正的条件下）。这是LED总光通量的测量方法，但测试仪器昂贵，工业中常用积分球进行测量。

    A.积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差；B.镀层表面反射比越大，球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中，镀层表面反射比甚至大于98％。

    C.注意被测LED的安装位置，应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域；D.应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。

    （3）光谱特性、色品坐标、主波长测量

    光谱特性、色品坐标、主波长的测量，根据国际照明委员会（CIE）三次LED国际会议的技术交流和相关国际对比结果，现建议如下：

    A.国家计量部门应该采用双单色仪测量系统；B.单色仪测量系统可满足工业部门应用；C.1nm和5nm光谱测量带宽的色度测试结果比较接近，可采用5nm带宽测量；D.主波长的对比测量差别很小；E.CCD测量仪器相对误差较大。

    （4）发光强度的空间分布和总光通量

    （5）亮度（cd/m2）

    亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度。单位为坎德拉/平方米[cd/m2]，符号为L，表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，它等于1平方米表面上发出1坎德拉的发光强度。

    （6）色温（Co1or Temperature）

    当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用温度K表示。当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体的温度就称为该光源的相关色温。