照明用LED的光電性能及測試儀器

1、照明用LED的光電性能及測試儀器一、前 言 發(fā)光二極管(LED是一種把電能直接轉(zhuǎn)換成光的固體器件，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。照明用LED的性能與顯示用LED有一定的差別,其主要特性參數(shù)包括：工作電流和電壓、輸出光通量、發(fā)光效率、色品坐標(biāo)、色溫、顯色性、空間光強分布、溫度特性、光生物安全性等等。由于LED是一個定向輻射光源，帶有成像光學(xué)系統(tǒng)，而且是帶狀光譜輻射源，在光電性能測試中，因測試方法不統(tǒng)一，儀器性能的差別大以及操作的不規(guī)范等等因素，往往難以得到比較一致、準(zhǔn)確的結(jié)果。 針對LED特殊的光電特性,并按照國際照明委員會(CIE的要求，浙大三色公司在LED芯片、LED封裝、

2、組合LED燈具及材料測試等方面研制出了一系列極具特色的測試儀器,較好地解決了照明LED測試中的常見問題.二、照明用LED的光電性能評價 1.電流/電壓參數(shù)（正、反向） LED的電性能具有典型的PN結(jié)伏安特性，不同的電流直接影響LED的發(fā)光亮度。在照明中應(yīng)用, LED燈應(yīng)具有大功率、高可靠性，良好的環(huán)境適應(yīng)性等特性。為了獲得大功率的LED燈，往往將許多個發(fā)光二極管通過一定的串并聯(lián)方式組合在一起，相關(guān)的各個LED的特性必須匹配，因此必須測試它們在工作點上的正向電流和正向壓降、反向漏電流和反向擊穿電壓以及不同溫度環(huán)境下的電參數(shù)的變化特性等等。 2、光通量和輻射通量 發(fā)光二極管單位時間內(nèi)發(fā)射的總電磁能

3、量稱為輻射通量，也就是光功率(W。對于照明用LED光源，我們更關(guān)心的是照明的視覺效果，即光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼感知的那部分當(dāng)量，稱作為光通量v(1m。光通量與器件的電功率比值表示LED的發(fā)光效率(lm/W，它是節(jié)能照明的關(guān)鍵指標(biāo)之一。 3、光強和發(fā)光角 無論是應(yīng)用于顯示或照明工程，LED的光強及其空間分布都是十分重要的參數(shù)。LED燈的定向發(fā)光特性，對于某些局部或定向照明往往會達到非常好的照明效果。 LED的發(fā)光強度指在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量： (c d 發(fā)光角（或光束角）通常用半強度角1/2表示，即在光強分布圖中光強大于等于峰值光強1/2時所包含的光束角度。 圖1 光譜分

4、布 4、光譜分布、峰值波長和帶寬 LED的光譜功率分布既確定了發(fā)光的顏色，也確定了它的光通量以及它的顯色指數(shù)。通常用相對光譜功率分布S(表示，如圖1所示。光譜功率沿峰值兩邊下降到其值的50時，所對應(yīng)的兩個波長之差2-1，即為光譜帶寬。 5、色品坐標(biāo)、主波長和色純度 任何一種光源的顏色均可以用CIE1931XYZ色度系統(tǒng)中的一個坐標(biāo)點(x,y來表示，如圖2所示。 圖2 CIE1931XYZ色度系統(tǒng) 對于彩色LED，用主波長和色純度則更能直觀地表達發(fā)光的顏色特性。LED的主波長表明了顏色的色調(diào)，而色純度則代表了該顏色的鮮艷程度。 6、色溫和顯色指數(shù) 光源的發(fā)光顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時

5、，則稱黑體的溫度為該光源的色溫(K。對于白光LED，其發(fā)光顏色往往與各種溫度下的黑體（完全輻射體）的色品坐標(biāo)都不可能完全相同，則采用相關(guān)色溫(CCT來表示。也就是當(dāng)光源的色品與完全輻射體在某一溫度下的色品最接近，則該完全輻射體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。 用于照明工程的LED，除表觀顏色外，更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現(xiàn)出來的顏色與該物體在完全輻射（如日光）下的顏色是否一致，即所謂的顯色特性。不同適應(yīng)場合對顯色指數(shù)有不同的要求，如表1。 表1 7、光生物安全性 在本世紀(jì)以前，照明光源的光生物安全性沒有象電氣安全性、溫度和機械安全性那樣受到重視。近幾年，隨著對光生物研究的深入

6、，照明光源的光生物安全性越受到關(guān)注。CIE、IEC及國家均制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目前常規(guī)的照明LED是基于蘭光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生混合光來實現(xiàn)白光，其中的蘭光部分是“視網(wǎng)膜蘭光危害”最敏感的區(qū)域。因此照明用LED主要應(yīng)考慮蘭光部分的光生物效應(yīng)，其暴輻值要求： J?m-2?Sr-1 其中B(是視網(wǎng)膜蘭光危害的作用函數(shù),見圖3所示. 圖3 光譜響應(yīng)曲線三、LED典型測試儀器 1、LED芯片發(fā)光測試 一般LED的芯片的面積只有0.1mm2的數(shù)量級，因此需采用專用的探針給LED供電，使其正常發(fā)光，通過顯微亮度計測量LED芯片表面的發(fā)光亮度。如圖4是SPR-920D顯微光譜輻射分析儀，測量LED發(fā)光芯片的光譜輻射

7、亮度分布、色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、色純度、主波長、發(fā)光亮度等光色參數(shù)。該儀器中采用了根據(jù)國家專利設(shè)計的顯微發(fā)光指示器和三維微動探針臺，保證測試芯片的準(zhǔn)確定位。 圖4 LED 顯微光譜輻射分析儀 2、LED封裝測試 目前LED封裝測試分為兩個階段。一是在線光電顏色快速測試。所需的儀器包括電性能分析儀（LED101）、智能顏色分析儀或快速光譜儀組成。在生產(chǎn)線上快速測試LED的正向電流、電壓、發(fā)光強度（或光能量）、色品坐標(biāo)、色溫、色純度、主波長等參數(shù)。測試系統(tǒng)通常采用標(biāo)準(zhǔn)LED進行定標(biāo)，如圖5。另一類是實驗室品質(zhì)檢測，光色測量儀器通常采用高精度光譜輻射計，并用國家計量傳遞鎢絲標(biāo)準(zhǔn)燈進行校準(zhǔn)?？蓽?zhǔn)確測量LED的光譜功率分布、光通量、光功率、峰值波長、帶寬、色品坐標(biāo)、色純度、主波長、色溫、顯色指數(shù)等參數(shù)。光強分布則采用符合CIE127要求的變角光度計(PR-108A測量。 圖5 LED在線光色測試儀 3、組合LED燈(具測試 LED反射燈(具的測試可參照IEC的標(biāo)準(zhǔn)方法，對于窄光束的LED燈，要求測光臂長比燈的發(fā)光面直徑大20倍以上。目前最常用的是1m的測量距離。圖6是典型的測試 圖6 LED反射燈光強分布測試儀 4、LED熒光粉