照明用LED光学性能检测原理和方法.doc

照明用LED光学性能检测原理和方法用LED光学性能检测原理和方法薛才之PrincipleandMethodofMeasurenmentsforLEDfunctionUsedinLightingXueCaizhi摘要:大功率高亮度LED的出现和白光LED的发展,LED作为照明光源将在照明领域里得到广泛的应用,但是目前尚没有对LED的光学性能统一的技术要求和测量方法.因此将传统的测量技术和方法,并结合LED的特点进行详细的叙述和分析,是当前发展LED的急需.作为照明用LED,需要被了解的光学性能应该与其他照明用电光源是一致的.它们主要包括光通量,发光率,发光强度,光强的空间分布曲线,光源的光谱功率分布,色座标,显色指数,相关色温.由于LED的特殊性,为了测量的准确性和测量数据的重复性,文中提出了具体测量方法和条件中的光强轴心,控制环境温度,平方反比定律的计算,积分球尺寸,标准光强灯的大小等建议和讨论.LED的出现,LED作为照明光源将在照明领域中得到广泛应用是不言而喻的.但是,目前我国尚没有统一技术要求的LED光学性能检测方法,这将会妨碍照明LED的研发及应用推广.作为照明用光源的LED,其应被了解的光学性能的项目与其它光源应是一致的,它们主要包括光强,光强(空间)分布,光通量(及发光效率),光亮度,光谱功率分布,色坐标,显色指数,相关色温等.其中光强,光通量,色坐标,显色指数和色温应是必须提供的指标.一,光强及其测量光强:光的强度,在某一特定角度内所放射光的量.单位:坎德拉cd;符号用I表示.由于LED方向性强,通常应检测LED光束轴线方向的光强.光束轴线是指LED周围的光强分布大约呈对称状态的轴线.光束轴线不一定为LED物理尺寸的轴线.检测设备包括照度计,光导轨,挡光屏,光强标准灯等.测量应在没有外来光和杂散光的环境(暗室)中进行.测量时,照度计,标准灯和/或被测LED均置于光轨上,在照度计与标准灯和/或LED间放置挡光屏以消除杂散光.先在合适距离LD下测出LED在照度计上产生的照度E.然后,再在光轨上用标准灯替换被测LED,调节标准灯与照度计距离使标准灯在照度计上产生相同的照度E,通过光轨读取此时照度计与标准灯的距离Ls,此时根据照度的距离平方反比定律,E=I/L.因此有LED的光强ID=Is().由于LED的光线较集中,在近距离情况下平方反比定律是不适用的.但只要使测量距离足够大,如大于光源或其集合尺寸的十倍以上,则上述平方反比定律是适用的.由于上述LED光线集中以及其它种种影响测量准确度的原因,CIE关于LED测量标准的ClE127号出版物中对光强的测量条件作出限制,提出了两种测量平均法向光强的条件,其中条件A的测量距离为316mm,张角为0.001sr,条件B的测量距离为1OOmm,O.01sr.CIE的这一标准虽然为推荐标准,但为使我们的产品能与其它国家产品有共同比对标准,易于走向世界市场,测量时采用与国际共同的条件是必要的.作者简介:作者单位:深圳市照明学会专家组地址:深圳市罗湖区宝岗路祥福雅居彩云阁1812室 :518023审.话:075525979960,25979740E478心转动,取一定角度间隔测点的强度测量值而成.强分布的数据主要用于照明设计计算以及为光源配置反射罩时进行反射面形状设计计算等.光源在某方向的亮度为光源在该方向单位投影面积上的发光强度,亮度单位为尼特(nt),符号用L表示.亮度通常用亮度计测量.亮度也是LED与LED组合体(模块)的重要指标,尤其是对于用来为显示组元的LED,此指标更为重要.由LED组成的显示屏幕也要有一定亮度要求.光通(量):光源所发出的光量之总和,简单的说就是发光量.单位:流明(Im);符号用F表示.检测设备:单色仪,积分球,光通量标准灯.检测方法主要有两种:光通量为已知中s标则被测灯光通量中D=EDbs/Es.此方法由于操作简单被大多数生产单位采用,但其测量误差较大,主要原因为标准灯色温为2800K左右,而LED从2000K至6000K都有,所以必须在光电转换器前加符合ClE规定的V(入)人眼视觉函数滤光器进行色修正.2.分光法:通过光谱能量P(入)分布计算得出光通量.使用单色仪,在积分球内对标准灯的380nm一780nm光谱进行测量,然后在同条件下对被测灯的光谱进行测量,对比计算出被测灯的光通量.由于LED的光谱包含线状光谱,为提高检测精度单色仪步长间隔应1nm;波长分辩率应0.1nm.因积分球利用"点光源"原理,且标准灯外形体积为LED的十几倍,测量会产生形状引起的误差,所以无论"积分法""分光法"为消除形状引起的误差,测量时应进行形状修正.光效与光通量同样为照明用光源的重要指标.光效为光源发出的光通量与其所消耗功率之比,单位为Im/w(流明/瓦).对于LED的测量通常采用恒流方式,这里的功率(W)采用正向电流与正向电压之积.前面提到LED的光效可能达2001m/w以上,光效高,节能好正是世界各国推广LED用于照明的主要依据,源的光通量和光效也是照明设计计算中不可少的数据.以上各项属光源色度量,用来表示光源颜色特性的.(1)光源的光谱功率分布表示光源的光是许多不同波长的色辐射组成的,各个波长的辐射功率大小也不同,这种不同随波长顺序排源中通常只对相对光谱功率分布感兴趣,若要知道绝对光谱功率分布,只要知道该光源的光通量即可计算获得.光谱功率分布用符号P(入)表示.其它的色度量可通过P(入)按一定公式计算得到.(2)光源色坐标是以数字方式在坐标图上表示光源的发光颜色的量.表示颜色的坐标图有多种坐标系,通常采用X,Y坐标479系.若知道光源的功率分布过P(入),就可计算该光源在X,Y坐标系中的色坐标.计算公式如下:p(入)以上X,Y,Z称色-fj激值,13(入)为样品光谱亮度系数,对光源13(入)与K均取1,X(入),Y(入),Z(入)为CIE1931标准观察者光谱刺激值,是通过心理物理学实验获得的一些数值,可在任何一本色度学书中得到.其中Y(入)就是标准观察者的明视觉光谱光效率V(入).算出三刺激值X,Y,Z后即可得到该光源的X,Y,Z色坐标值.X=X/X+Y+ZY=Y/X+Y+XZ=Z/X+Y+Z三坐标值X+Y+Z=I8个色样显色指数的算术平均值.Ra=,Ri是光源对8个色样中任一种的显色指数,该显色指数Ri,由公式Ri=l004.6AEi;计分布外,包括坐标变换公式及样品分光反射率和参照灯的参量均可从有关书中查得.显色指数是光源质量的重要参量,它决定着光源的应用范围,提高白光LED的显色指数是LED研发的重要任务之一.色相同时,该温度就称为光源的色温.LED发射的光多为线光谱,其光颜色不能与发射连续谱的黑体发射的光完全相同,只能取与某一温度下的黑体所发射光最接近的光色温度作为其色温,此时称为相关色温.LED相关色温是人眼直接看见的LED所发射光的表观颜色,对确定该光源的应用场所也是一个重要的指标.色温或相关色温可通过光源的色坐标从包含有黑体轨迹的色坐标中获得.六,讨论以上对LED光学性能检测作了大体描述,但由于LED的特殊性,为测量准确并确保测量数据的重复性,对LED的测量条件和方法作出更具体的规定是必要的.已明确以LED机械轴心和前端顶点为定位基准,但是否以峰值光强轴心为基准更易操作,准确度更是值得研究的.其次,LED光源是一个温度依赖性较强的光源,温度变化会导致光输出快速变化和颜色的偏移,这t,1N量结果造成相当大的影响,为此测试中应保持对环境温度作有效控制,通常控制在25C较合适.另外,LED尺寸较小,其发射的光在近距离又不符合距离反平方定律,在积分球测量中与标准光源尺寸相差较大,标准光源与被测LED数量尺寸大小等均有可能影响测量结果,在测量中诸多因素是值得研究的.480