照明用LED的光电性能及测试仪器

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照明用LED的光电性能及测试仪器

一、前 言
发光二极管(LED)是一种把电能直接转换成光的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统等组成。照明用LED的性能与显示用LED有一定的差别,其主要特性参数包括：工作电流和电压、输出光通量、发光效率、色品坐标、色温、显色性、空间光强分布、温度特性、光生物安全性等等。由于LED是一个定向辐射光源，带有成像光学系统，而且是带状光谱辐射源，在光电性能测试中，因测试方法不统一，仪器性能的差别大以及操作的不规范等等因素，往往难以得到比较一致、准确的结果。
针对LED特殊的光电特性,并按照国际照明委员会(CIE)的要求，浙大三色公司在LED芯片、LED封装、组合LED灯具及材料测试等方面研制出了一系列极具特色的测试仪器,较好地解决了照明LED测试中的常见问题.
二、照明用LED的光电性能评价
      1. 电流/电压参数（正、反向）
      LED的电性能具有典型的PN结伏安特性，不同的电流直接影响LED的发光亮度。在照明中应用, LED灯应具有大功率、高可靠性，良好的环境适应性等特性。为了获得大功率的LED灯，往往将许多个发光二极管通过一定的串并联方式组合在一起，相关的各个LED的特性必须匹配，因此必须测试它们在工作点上的正向电流和正向压降、反向漏电流和反向击穿电压以及不同温度环境下的电参数的变化特性等等。
      2、光通量和辐射通量
发光二极管单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量，也就是光功率(W)。对于照明用LED光源，我们更关心的是照明的视觉效果，即光源发射的辐射通量中能引起人眼感知的那部分当量，称作为光通量Φv(1m)。光通量与器件的电功率比值表示LED的发光效率(lm/W)，它是节能照明的关键指标之一。
      3、光强和发光角
无论是应用于显示或照明工程，LED的光强及其空间分布都是十分重要的参数。LED灯的定向发光特性，对于某些局部或定向照明往往会达到非常好的照明效果。
      LED的发光强度指在给定方向上单位立体角内所发射的光通量：
              (c d)
      发光角（或光束角）通常用半强度角θ1/2表示，即在光强分布图中光强大于等于峰值光强1/2时所包含的光束角度。
   
                                           图1 光谱分布
      4、光谱分布、峰值波长和带宽
      
      LED的光谱功率分布既确定了发光的颜色，也确定了它的光通量以及它的显色指数。通常用相对光谱功率分布S(λ)表示，如图1所示。光谱功率沿峰值两边下降到其值的50％时，所对应的两个波长之差Δλ＝λ2-λ1，即为光谱带宽。
      5、色品坐标、主波长和色纯度
任何一种光源的颜色均可以用CIE1931XYZ色度系统中的一个坐标点(x,y)来表示，如图2所示。
        
                           图2 CIE1931XYZ色度系统
对于彩色LED，用主波长和色纯度则更能直观地表达发光的颜色特性。LED的主波长表明了颜色的色调，而色纯度则代表了该颜色的鲜艳程度。
      6、色温和显色指数
光源的发光颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，则称黑体的温度为该光源的色温(K)。
对于白光LED，其发光颜色往往与各种温度下的黑体（完全辐射体）的色品坐标都不可能完全相同，则采用相关色温(CCT)来表示。也就是当光源的色品与完全辐射体在某一温度下的色品最接近，则该完全辐射体的温度称为该光源的相关色温。
用于照明工程的LED，除表观颜色外，更重要的特性往往是周围的物体在LED光照明下所呈现出来的颜色与该物体在完全辐射（如日光）下的颜色是否一致，即所谓的显色特性。
不同适应场合对显色指数有不同的要求，如表1。
表1
      
      7、光生物安全性
在本世纪以前，照明光源的光生物安全性没有象电气安全性、温度和机械安全性那样受到重视。近几年，随着对光生物研究的深入，照明光源的光生物安全性越受到关注。CIE、IEC及国家均制订了相应的标准。目前常规的照明LED是基于兰光激发荧光粉产生混合光来实现白光，其中的兰光部分是“视网膜兰光危害”最敏感的区域。因此照明用LED主要应考虑兰光部分的光生物效应，其暴辐值要求：
                    J?m-2?Sr-1
      
      其中B(λ)是视网膜兰光危害的作用函数,见图3所示.
        
                                             图3 光谱响应曲线
三、LED典型测试仪器
      1、LED芯片发光测试
一般LED的芯片的面积只有0.1mm2的数量级，因此需采用专用的探针给LED供电，使其正常发光，通过显微亮度计测量LED芯片表面的发光亮度。如图4是SPR-920D显微光谱辐射分析仪，测量LED发光芯片的光谱辐射亮度分布、色品坐标、色温、显色指数、色纯度、主波长、发光亮度等光色参数。该仪器中采用了根据国家专利设计的显微发光指示器和三维微动探针台，保证测试芯片的准确定位。
     
                       图4 LED 显微光谱辐射分析仪
      2、LED封装测试
目前LED封装测试分为两个阶段。一是在线光电颜色快速测试。所需的仪器包括电性能分析仪（LED101）、智能颜色分析仪或快速光谱仪组成。在生产线上快速测试LED的正向电流、电压、发光强度（或光能量）、色品坐标、色温、色纯度、主波长等参数。测试系统通常采用标准LED进行定标，如图5。另一类是实验室品质检测，光色测量仪器通常采用高精度光谱辐射计，并用国家计量传递钨丝标准灯进行校准。可准确测量LED的光谱功率分布、光通量、光功率、峰值波长、带宽、色品坐标、色纯度、主波长、色温、显色指数等参数。光强分布则采用符合CIE127要求的变角光度计(PR-108A)测量。
     
                      图5 LED在线光色测试仪
      3、组合LED灯(具)测试
      LED反射灯(具)的测试可参照IEC的标准方法，对于窄光束的LED灯，要求测光臂长比灯的发光面直径大20倍以上。目前最常用的是1m的测量距离。图6是典型的测试系统，测光臂长可以是1.0m或2.0m。
         
                   图6 LED反射灯光强分布测试仪
      4、LED荧光粉的测试
作为白光LED用荧光粉，需要测量在对应蓝紫光LED激发下的发光亮度、光谱功率分布、色品坐标、色温、显色指数等参数。另外还可以用LED荧光粉热猝灭特性测试仪，测量LED荧光粉在不同温度下的发光亮度和色度特性。
         
                        图7 LED荧光粉专用测试仪