LED光源与光学特性检测

   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，是光电专家所始料不及的。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极佳，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年第一个红光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。最新白光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。

　　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，在户外最好是用大功率的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（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，其核心是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。

　　（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。

　　TC1－62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》可能部分替代CIE 13.3－1995出版物。这两个文件已进入投票阶段。

　　TC1－62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》介绍了白光LED显色指数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。技术报告的结论是：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。

　　长期以来，半导体研究专家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。

　　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。

　　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精度。

　　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总光通量进行精确测量（探测器光谱响应曲线已修正的条件下）。这是LED总光通量的绝对测量方法，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国际专家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，用绝对温度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。

　　（1）LED光学特性测量的理论与技术基础

　　A.根据以上对LED光学特性的分析，国家计量部门和工业界可应用常规的光度、色度及辐射度仪器对LED的总光通量、光谱特性、色品坐标、主波长、色温等参数进行测量。

　　B.对于LED发光强度的测量，由于LED发光特性不遵循光度学的距离平方反比定律，CIE127文件推荐采用A，B条件测量LED平均发光强度（ALI）。

　　C.为了提高平均发光强度、光通量等量值传递过程中测量的不确定度和提高测量效率，CIE建立了Tc2－45、Tc2－46、Tc2－50等技术委员会，开展相关的研究和评价工作，以及对标准LED的研究。

　　D.光度学、色度学、辐射度学的基本理论是LED的测量基础。标准A光源是测定标准LED光谱功率分布特性的重要基准。

　　E. 准确的标准LED光通量值可用分布式光度计测量确定。作为一种补充测试方法，美国（NIST）、匈牙利、英国（NPL）、德国（PTB） 等国家以及我国都在积极开展标准LED研究工作。

　　（2）对标准LED特性的要求

　　A.标准LED的工作温度一般大于环境温度，也有致冷的技术方案；B.标准LED的样品需要老化几百小时，选择其中的稳定者进行后期标定工作；C. 标准LED必须与测试样品具有同样的光谱功率分布，需要建立多种不同颜色的标准LED。特别是白光LED，由于它可由不同光谱组成，研制通用的白光LED标准几乎不太可能；D.标准LED必须与测试样品具有同样的发光强度分布曲线（配光曲线），如果待测LED的颜色（光谱）与标准LED（光谱）有差异，则需对光度探器进行光谱校正。

　　（3）应用标准LED测量的优点

　　A.不需要对光度探头进行光谱校正；B.不需要对光度计参考平面进行严格的定位。

　　（1）显示屏、交通讯号、广告业多媒体、城市亮化显示光源的应用LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、三色和单色显示屏，全国有100多个单位在开发生产。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED，因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大。

　　（2）汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。由于LED响应速度快，可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP公司在1996年三种颜色的LED灯推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED显示。我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机。近几年内会形成年产10亿元的产值，5年内会形成每年30亿元的产值。

　　（3）LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。LED是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10只LED器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20只LED器件。现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35亿只LED芯片。目前我国手机生产量很大，而且大部分LED背光源还是进口的，对于国产LED产品来说，这是个极好的市场机会。

　　（4）LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目（称为“照亮日本”），头五年的预算为50亿日元，如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油的能源，相当于五个1.35×106kW核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。我国于2004年投资50亿大力发展节能环保的半导体照明计划。

　　（5）其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍，该公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3亿只发光灯；正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。

　　在国家推动产业结构优化升级、培育新的产业增长点这一战略任务的指导下，LED成为各地方政府的发展重点，东莞、惠州、佛山、深圳、大连、南昌、厦门等地方政府纷纷制定了产业发展战略规划，国内掀起了一股LED投资热潮。作为占据国内LED总产值的近半壁江山的广东，今年5月发布的《关于加快经济发展方式转变的若干意见》中，将半导体照明（LED）产业列为广东近期重点主抓的三大战略性新兴产业之一。LED产业在广东已经形成了百舸争流的局面。深圳、东莞、佛山都已经将LED产业列为支柱型产业发展。LED产业已经呈现出全面开花之势。国内LED企业迅速崛起并迅速扩大产能，为争夺LED市场展开攻略。从国内LED产业龙头企业三安光电到扩张产能的士兰微再到半路出家的德豪润达，LED产业热潮几乎席卷了整个行业，由于国内LED产品技术整体水平不高，国内企业普遍规模小、技术实力弱、产品档次也比较低，LED市场竞争激烈，相关厂商争打价格战，同时LED产业内也出现了无序投资、恶性竞争等现象。从目前国内市场动态和LED产业结构分布来看，已经出现很严重的重复投资的问题。

　　另外，一些地方政府在发展经济中有意将地方市场向本地企业开放，或者以投资换市场的方式锁住地方市场，地方保护主义有抬头趋势。若不打破这种地方行政壁垒，必然带来地区之间的产业项目趋同，直接加大产业泡沫，阻碍区域一体化发展进程。不同区域要突出不同特色，要避免为短期利益简单重复建设，导致未来恶性竞争。

　　此外，中国的LED照明还存在一系列其它问题，例如中国目前还没有LED灯具国家标准，只有一些地方的标准；我国本土LED灯具造型创新设计能力明显不足等。要解决好这些问题，才能使LED产业发展更加健康，LED产品才能更适应大众的需要。市场主导是LED照明产业可以长期健康发展的基础，政府要在政策、法规、研发投入、应用示范和标准等多方面来引导和扶持，全国一盘棋，整体规划，才能引导LED产业持续健康发展。