技術(shù)不斷突破 LED測量規(guī)范日漸不足

跟著資料及制程方面不斷地前進及演進，發(fā)光二極管不光發(fā)光功率曾經(jīng)有了顯著的晉升，其色彩也曾經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的赤色及黃色，可與赤色配成全彩的藍色、綠色及白光發(fā)光二極管等也連續(xù)開發(fā)完結(jié)。發(fā)光二極管已逐漸邁向全彩的視界，并廣泛運用于生計中的各個范疇。  
 

與傳統(tǒng)光源相比較，發(fā)光二極管不光外型上與傳統(tǒng)的燈源有極大的不一樣，其在旋光性及電性上也很不一樣。當前運用在照明發(fā)面的燈源首要分為兩種，一種是運用電流發(fā)生高熱而發(fā)光的燈源，這類型的燈源較?？吹降氖莻鹘y(tǒng)桌上型臺燈的燈泡，或是點綴用的鹵素燈等。這類型燈源有費電、高熱、發(fā)光功率欠安等特性，可是由于其光譜散布與我們較習氣的太陽光類似，因而仍被廣泛地運用在點綴及鋪排照明方面。而另一種則是運用氣體放電原理發(fā)光的光源，藉由氣體放電發(fā)生游離電子碰擊管內(nèi)的汞蒸氣，發(fā)生的紫外線被管壁上的熒光粉吸收后，而放出特定波長的可見光光譜。通常較常見到的這類型光源就如如今最常運用的日光燈管，或是發(fā)光功率為當前光源中較高的省電燈泡等。這類型的光源當然有省電、發(fā)光功率較佳的長處，可是其宣布的紫外線固然當前尚不能證實對人體會有損傷，但曾經(jīng)斷定的是在長期運用下會損壞如藝術(shù)品顏料及紙張等資料；而燈管內(nèi)所填充的汞，在運用時決裂或擱置時都可以形成環(huán)境上極大的損傷。

由于如此，與傳統(tǒng)燈源如鹵素燈、熒光燈相比較，固然在這些年來傳統(tǒng)燈源仍有在發(fā)光功率或辦法上仍有適當?shù)那斑M，可是各國的研制單位仍在尋覓更合適替代傳統(tǒng)燈源的替代品，因而具有節(jié)約動力潛力的發(fā)光二極管在動力逐漸缺少及各國晉升綠色環(huán)保觀念的一起，獨特招引我們的注重。

通常照明光源檢測包羅光衡量與色彩

關(guān)于照明光源而言，常用的光衡量的界說包羅了光通量、光強度、光照度等，別離代表了單位工夫中光源所宣布的總通量(以流明為單位)、光源在所打開的立體角中所顛末的通量(單位為燭光)，以及單位面積被光源所照耀到的通量(單位為勒克斯)，茲將光衡量界說與其對應之表明式收拾如表1。

而在光的衡量以外，在人眼可以感知到光源的特性還包羅了色彩的局部，可是通常直接運用口述來陳說紅、橙、黃、綠、藍等色彩，其實會由于人與人認知上的間隔而有極大差錯，因而平常生計中較便利的辦法是運用孟得賽爾體系所供給的色卡及測色樣品；更科學的辦法則是運用科學家所界說的色度坐標體系，包羅了CIE1931標準色度體系，或是CIE1976均勻色空間體系等，合作量測及核算，可以將色彩以坐標精準地出現(xiàn)出來。

LED特性差異招致檢測辦法不一樣

不論是光衡量或是色衡量，最初在擬定這些標準時，都是根據(jù)通常的傳統(tǒng)光源，這些傳統(tǒng)光源不論其發(fā)光的原理為何，其光源自身(不思考燈具的局部)都有在空間中均勻向外分散的特性，也就是光源所宣布的光線均勻向外傳遞，因而不論是光強度界說中需思考到的立體角，或是光照度界說中需思考到被照耀物的面積，都可以清晰且清楚地界說出來。可是發(fā)光二極管卻有極大的不一樣，早期發(fā)光二極管由于發(fā)光功率極低，也就是每顆發(fā)光二極管適當暗，當處于這樣的前提下，在思考發(fā)光二極管封裝辦法時當然會期望盡量能收集到其所宣布的光線，也就是將光源所宣布的光線會集在很小的視點中。因而早期遍及運用在核算機機殼、儀器警示燈上的發(fā)光二極管基本上都有這樣的特性，這一系列炮彈型封裝產(chǎn)物首要是運用碗狀的支架及炮彈型的模粒，將晶粒所宣布的光線向中間會集。這一系列的發(fā)光二極管跟著其模粒直徑的不一樣，通?？煞譃?/span>3ψ或是5ψ的發(fā)光二極管(圖1)。

而在發(fā)光二極管發(fā)光功率逐漸晉升的一起，可運用的范疇也越來越廣，因而林林總總不一樣封裝辦法的發(fā)光二極管產(chǎn)物連續(xù)問市。這些不一樣封裝辦法的發(fā)光二極管基本上首要是根據(jù)客戶的運用需求而描繪，這些運用包羅了交通號志燈、手機背光源、大型LCD背光源、車燈、野外顯現(xiàn)廣告牌、獨特照明乃至是生醫(yī)范疇的運用。而這些運用的需求除了低電流會是低電壓驅(qū)動(合作太陽能電池之運用)、高功率操作、優(yōu)秀的散熱性或獨特場合的運用(如高空、高溫與低溫、水底等)等，最重要的就是其獨特的空間發(fā)光特性。光源在空間中發(fā)光的特性通常是以配光曲線(Beam Pattern)來剖析，也就是運用精細的Goniophotometer設備將光源在空間中所有視點上的宣布光線以偵測器偵測后，予以收拾剖析。

關(guān)于傳統(tǒng)光源(未加燈具)而言，其配光曲線中光源在各視點的發(fā)光強度跟著不一樣發(fā)光視點的散布，基本上是一樣的?？墒顷P(guān)于發(fā)光二體而言，固然未合作任何燈具的運用，其配光曲線中發(fā)光強度關(guān)于視點的散布仍有激烈的關(guān)聯(lián)性，這樣的特性稱為指向性。需求闡明的是固然goniophotometer可以量測光源光線在空間中三維的散布，不過通常來說配光曲線圖在表明時仍以兩維表明法居多。圖2為通常配光曲線的表明圖，圖2的右半部為通常直角坐標系的表明辦法，其橫軸為視點，縱軸為強度。而圖2左半部則為雷達圖表明辦法，強度以脫離圓心的圓周間隔來表明。通常配光曲線的量測成果可任擇一種辦法表明，或如圖例以兩種表明辦法一起表明。

LED量測選用CIE-127

從上述的評論可以很顯著地看出，由于發(fā)光二極管具有激烈的指向性，因而適用于傳統(tǒng)照明光源的全光束及光衡量測辦法未必適用于發(fā)光二極管的量測上，因而世界照明協(xié)會(CIE, International Commission on Illumination)第二小組在1994年建立TC2-34 LED Measurement技能委員會，對準LED光學特性的量測進行研討，并擬定如表2所示的分項技能評論。關(guān)聯(lián)于TC2-34的技能陳述于1997年由CIE宣布，陳述標題為「CIE-127 Measurement of LED」，就是當前我們所熟知遍及被運用于LED量測的CIE-127。

CIE-127整份文件分為8個章節(jié)，8個章節(jié)的標題別離如下：

1. Introduction

2. Properties of LEDs

3. Production tolerance

4. Properties of the detector

5. Quantities defining spatial relations

6. Measurement of total luminous flux

7. Quantities related to spectral
distribution

8. Bibliography

而在CIE-127文件的一最初，便試著闡明這份文件的擬定首要是由于發(fā)光二極管與其它光源有顯著地不一樣，因而需求一些新界說來做精準量測，這個新界說稱為均勻發(fā)光二極管發(fā)光強度(Averaged LED Intensity)，而這個新界說的量測可以供給市面上不一樣封裝辦法的發(fā)光二極管有含義及具有重復性的量測成果。別的，光通量(Luminous Flux)也在評論的規(guī)模中，而發(fā)光二極管光通量的量測需求獨特建構(gòu)適用的積分球。文件中主張，發(fā)光二極管光通量與均勻發(fā)光功率的量測最棒能與標準發(fā)光二極管以比較法取得最佳的成果，而標準發(fā)光二極管的挑選根據(jù)是該標準發(fā)光二極管與待測發(fā)光二極管具有一樣的波長性質(zhì)及配光曲線，且在運用時需求有杰出的溫控。

其實整份文件固然共有8個章節(jié)，但就如其文件所述，其要點首要在均勻發(fā)光二極管發(fā)光強度的界說與光通量量測的注重事項上，前段其它章節(jié)首要是描繪發(fā)光二極管的特性、產(chǎn)物間差錯及量測時偵測器的選用，后段則在著重色彩方面思考及量測時須注重的議題。由于與CIE其它關(guān)聯(lián)于光度、色度的文件迥然不一樣。因而在這邊首要要評論的仍是均勻發(fā)光二極管發(fā)光強度及光通量的量測。

均勻發(fā)光二極管發(fā)光強度
為LED全新量測辦法

關(guān)于光源而言，通常會獨特界說其光軸(Optical Axis)與機械軸(Geometric
Axis)。所謂的光軸代表的是光學上在空間中光強度散布的對稱軸(可由配光曲線判別)，而機械軸則表明光源在外型上尺度對稱的中間軸，通常光度關(guān)聯(lián)的量測大局部會以光軸為中間點。而跟著封裝辦法的不一樣，不一樣的發(fā)光二極管的外型并不一樣，其發(fā)光特性也有很大的不一樣，就算關(guān)于徹底一樣的封裝辦法，由于發(fā)光二極管的制程通常被歸類為半導體關(guān)聯(lián)制程，以相對的尺度而言，芯片的發(fā)光層、電極與基板間相對方位的改變適當大，因而樣品的光學軸與機械軸未必是在一樣的軸上(圖3)。關(guān)于生產(chǎn)線而言，為了一起統(tǒng)籌產(chǎn)值與光衡量測的功率，通常是運用機械軸做為量測軸，這樣要下降樣品間量測的差錯，或是晉升樣品量測的再現(xiàn)性，會適當艱難，因而用發(fā)光二極管的機械軸為量測軸，本質(zhì)上就具爭議性，因而運用光學軸作為量測標準似乎是合理的辦法。僅僅推到實踐面而言，要找到發(fā)光二極管的光學軸需求由樣品配光曲線量測定位得到，可是通常的配光曲線量測會消耗適當多的工夫，因而在實踐量產(chǎn)上藉由光學軸來量測發(fā)光二極管會有適當?shù)钠D難。

為徹底解決以上問題，因而CIE導入「均勻發(fā)光二極管發(fā)光強度」這種全新量測的辦法，這種均勻發(fā)光二極管發(fā)光強度(Average LED Intensity)的界說可對準當前已商品化的各種發(fā)光二極管，供給具有有用含義與再現(xiàn)性的量測成果。所謂的均勻發(fā)光二極管發(fā)光強度是將發(fā)光二極管的組織軸界說為量測中間的首要量測根據(jù)，并清晰規(guī)則發(fā)光二極管與偵測器的間隔、偵測器的巨細，這樣的作法可將發(fā)光二極管由于封裝辦法或是外型上不一樣所形成的發(fā)光強度改變予以均勻化。實踐上的作法則是固定發(fā)光二極管與偵測器的間隔，而偵測器的前方有必要設置約束偵測器接納面積為100mm2的圓形光圈(Aperture)，藉由偵測器可接納到的均勻照度(Illuminance)以核算發(fā)光二極管的均勻發(fā)光強度ILED，其架構(gòu)如圖4。

CIE-127規(guī)則，根據(jù)發(fā)光二極管與偵測器的間隔的不一樣，界說出兩種不一樣的量測條件，別離為CIE Standard Condition A及CIE
Standard Condition B。當發(fā)光二極管與偵測器的間隔d為316mm時(圖3)，稱為CIE Standard Condition A；當發(fā)光二極管與偵測器間隔d為100mm時，稱為CIE Standard Condition B。具體上來說，Condition
A代表光源執(zhí)政偵測器方向，且在偵測器面積為100mm2所張的立體角(Solid Angle)為0.001sr(其平面視點約為2°)，而Condition B則代表光源執(zhí)政偵測器方向，且在偵測器面積為100mm2所張的立體角(Solid Angle)為0.01sr(其平面視點約為6.5°)。而均勻發(fā)光二極管強度的核算則是在承認量測條件為CIE
Standard Condition A或是CIE
Standard Condition B后，藉由下列式子得出：

其間E為均勻照度(Average Illuminance)，其單位為lmm-2，而d代表發(fā)光二極管端緣至偵測器的間隔，單位為公尺。

CIE-127藉由對量測中每一項變量清晰的界說，防止由于發(fā)光二極管實踐發(fā)光中間不清晰，或是光軸不易斷定所可以形成影響，并藉由均勻(average)的主意，減低在量測發(fā)光強度時由于發(fā)光二極管激烈的指向性，形成在量測發(fā)光強度時由于量測軸選用的禁絕而可以形成的差錯。不過再一次著重的是，在運用均勻發(fā)光二極管強度(Average LED Intensity)時，量測體系的發(fā)光二極管樣品的中間軸為其機械軸，且CIE Standard Condition中的間隔為發(fā)光二極管樣品端緣(也就是幾許形狀上的最前緣)至偵測器的間隔。而量測出的均勻發(fā)光二極管強度有必要清晰標示所運用的條件為CIE Standard Condition A仍是CIE
Standard Condition B，并可以ILED
A v或是ILED B v表明。

全光通量為LED重要量測項目

關(guān)于照明用光源而言，全光通量(Total Luminous Flux)的量測對評價光源的能量變換功率(Luminous Efficency)是非常重要的項目。量測光源的辦法全光通量首要可分為兩類，一類是直接運用精細的配光曲線量測設備Goniophotometer進行量測，運用偵測器將光源在空間中各視點的發(fā)光強度積分后可得到光源的全光通量。假定光源被包在球型的量測區(qū)域中，偵測器運用體系的懸臂沿著此球型區(qū)域繞行，則球型區(qū)域上單位面積dA(dA在空間中的視點為θ及ψ時)，其所收到的單位光通量dψ可以光照度(illuminance)來表明：

(具體請見新電子229期4月號第168頁)

而光源的總光通量ψ則為：

(具體請見新電子229期4月號第168頁)

可是也像前面所提過的，架起一套配光曲線量測用的Goniophotometer不光所費不茲，更由于配光曲線的量測會消耗適當?shù)墓し颍蚨P(guān)于量產(chǎn)的廠商而言，并不可以將這樣的設備架起在產(chǎn)在線，進行產(chǎn)物的檢控。因而CIE也供給了另一套較簡化的量測辦法用以量測發(fā)光二極管的總光通量，也就是運用積分球(Intergrating Sphere)量測光源光通量的辦法。

運用積分球量測光源總光通量的辦法由來已久，所運用的設備是一顆內(nèi)層鍍有高散射特性反射膜的空心金屬球殼。置于積分球中的光源在點亮后其所宣布的光線會均勻地在球殼來回反射直至均勻地充溢在球殼中的每一部份。若在球殼上的某局部開一個小孔并置入偵測器，則偵測器所得到的讀值與整顆球殼與小孔面積的份額相乘積，就可以得到光源的總光通量。

運用積分球量測光源光通量的辦法關(guān)聯(lián)于運用Goniophotometer要來的簡略，可是在體系的架起及積分球選用方面卻相對重要，這些要項包羅了積分球的尺度巨細、殼內(nèi)反射層反射率的凹凸、光源在殼內(nèi)的架起方位、擋板(Baffle)的選用及方位的裝備、補助燈(Auxiliary Lamp)偵測器的選用等，都需求顛末精細的核算及實驗描繪。而發(fā)光二極管由于其尺度的獨特及激烈的指向性，因而在運用積分球量測其光通量時會需求獨特注重。

CIE發(fā)如今大局部實驗室用于量測發(fā)光二極管的總光通量所運用積分球巨細通常小于10厘米，使得發(fā)光二極管由于非發(fā)光部(模粒、導線、金屬組件等)的自我吸收占光源全體的比率之所形成的量測差錯比通常照明用光源大，因而除了設法削減非發(fā)光部的吸收外，別的一個辦法就是透過抵償發(fā)光二極管(Auxiliary LED)的抵償辦法進步量測精度。因而抵償發(fā)光二極管的選用也相對重要，CIE主張在選用抵償發(fā)光二極管時有必要合作待測發(fā)光二極管的一些特性，包羅附近的配光曲線、附近的總光通量及附近的光譜特性等。CIE并主張用于量測發(fā)光二極管的總光通量時積分球尺度不能太小，也就是期望積分球直徑不行小于30cm。而合適發(fā)光二極管量測之積分球結(jié)構(gòu)，與抵償發(fā)光二極管、擋板的設置辦法按照CIE-127共有3種，其設置辦法如圖5所示。其間圖5(a)的裝備辦法為量測發(fā)光二極管總光通量時最簡略的裝備，僅思考運用擋板擋住發(fā)光二極管直射入偵測器的視點，可是相對地，這樣的裝備辦法由于徹底沒思考樣品及量測環(huán)境的尺度份額及吸收丟失，因而形成的差錯也較大，所以圖5(a)的裝備辦法僅適用在積分球大于30厘米時的量測條件。