LED照明與光色測量基礎知識

1、前言

發(fā)光二極管（ＬＥＤ）作為新興的發(fā)光體，具有電光效率高、體積小、壽命長(cháng)、電壓低、節能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是新一代照明的首選器件。ＬＥＤ的發(fā)展受到國內外的普遍關(guān)注，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。近年來(lái)，ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光效不斷增加，亮度不斷提高。如今，ＬＥＤ已經(jīng)在眾多場(chǎng)合得到大量應用，尤其是白光ＬＥＤ技術(shù)的不斷進(jìn)步，使其在照明領(lǐng)域的應用也逐漸普及。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如圖1所示。

2、ＬＥＤ的工作原理

發(fā)光二極管（ＬＥＤ）是一種能把電能轉化為光能的固體器件，它的結構主要由ＰＮ結芯片、電極和光學(xué)等系統組成。ＬＥＤ的基本工作原理是一個(gè)電光轉換的過(guò)程，當一個(gè)正向偏壓施加于ＰＮ結兩端，由于ＰＮ結勢壘的降低，Ｐ區的正電荷將向Ｎ區擴散，Ｎ區的電子也向Ｐ區擴散，同時(shí)在兩個(gè)區域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數載流子相對不穩定，對于ＰＮ結系統，注入到價(jià)帶中的非平衡空穴要與導帶中的電子復合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，電子和空穴的能量差越大，產(chǎn)生的光子能量就越高。能量級差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長(cháng)就不同，相應的光的顏色就會(huì )不同。LED工作原理如圖2所示。

3、ＬＥＤ的光參數

3.1 光通量

光通量是光源在單位時(shí)間內發(fā)出的光量，即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺(jué)系統所感受到的那部分有效當量。光通量的符號為Φ，單位為流明（Lｍ）。

根據光譜輻射通量Φ（λ），由下式可確定光通量：
Φ=Km■Φ（λ）gV（λ）dλ
式中，Ｖ（λ）—相對光譜光視效率；
Km—輻射的光譜光視效能的最大值，單位為L(cháng)ｍ/Ｗ。１９７７年由國際計量委員會(huì )確定Km值為６８３Lm/W（λｍ＝５５５ｎｍ）.

3.2 光強度

光源在給定方向上的發(fā)光強度I是該光源在該方向的立體角元內傳輸的光通量ｄΦ除以該立體角元ｄΩ之商，即：
I=■
發(fā)光強度的單位是坎德拉（ｃｄ），１ｃｄ＝１Lｍ/１ｓｒ?？臻g各個(gè)方向的光強之和就是光通量。

3.3 光亮度

光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度L，是該面元ｄＳ在給定方向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積之商，即：
L=■
單位為坎德拉每平方米（ｃｄ/ｍ２）。當發(fā)光表面與測量方向垂直時(shí)，則ｃｏｓθ＝１。

3.4 光照度

表面上一點(diǎn)的照度E是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量ｄΦ除以該面元面積ｄＳ之商。即：
E=■
單位為勒克斯（Lｘ），１Lｘ＝１Lｍ/ｍ２。

3.5 其他參數

LED的光參數還包括：光譜、色品坐標、主波長(cháng)和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數等。

4 ＬＥＤ光色測量的必要性

4.1 避免危害

ＬＥＤ與傳統的照明燈不同，它具有點(diǎn)光源、高亮度、窄光束輸出等特點(diǎn)。當ＬＥＤ應用于照明器具時(shí)，如果對出光角不加以嚴格的控制就會(huì )產(chǎn)生強烈的眩光，某些高亮度ＬＥＤ產(chǎn)品甚至會(huì )對人體造成光輻射危害。光色測量可為ＬＥＤ的安全使用提供指導。

4.2 促進(jìn)ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

ＬＥＤ的光色測量能提供大量的實(shí)驗數據，可作為判定ＬＥＤ產(chǎn)品合格與否的標準，并可為改進(jìn)ＬＥＤ的設計、制造提供依據。

5 ＬＥＤ的光色測量方法

5.1 光通量的測量

5.1.1 積分法

測得ＬＥＤ在各個(gè)方向的光強，然后對這些光強值進(jìn)行計算，從而得到ＬＥＤ的總光通量（如圖3所示）。

5.1.2 積分球法

積分球又稱(chēng)為光通球，是一個(gè)中空的完整球殼。內壁涂白色漫反射層，且球內壁各點(diǎn)漫射均勻。光源在球壁上任意一點(diǎn)上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可知，球面上任意一點(diǎn)的光照度為與光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的標準燈與被測燈進(jìn)行比較得到被測燈的光通量，如圖4（a）所示。

但是由于標準燈與被測燈的物理結構以及性質(zhì)的不同（如吸收），在利用積分球法測試光通量時(shí)需要對測試結果進(jìn)行修正，可采用輔助燈的方法，如圖4（b）所示。

5.1.3 2π立體角光通量的測試

利用積分球法測試ＬＥＤ光通量時(shí)還有一種測試結構（如圖5所示），稱(chēng)為前射光通量的測試或２π立體角光通量。該測試并不是測試ＬＥＤ的總光通量，但人們常常將其與測試ＬＥＤ的總光通量相混淆。

5.2 光強度測量

對于ＬＥＤ光強的測試，ＣＩＥ－１２７規定了兩種測試條件，如圖6和表所示。

5.3 光亮度

ＬＥＤ亮度的測試通常應用在測試ＬＥＤ芯片的亮度和評價(jià)ＬＥＤ光輻射安全性的過(guò)程中。測試一般采用成像法，對于芯片的測試可以采用顯微成像進(jìn)行測量，如圖7所示。

5.4 光照度測量

嚴格地說(shuō)，光照度實(shí)際上并不能算是ＬＥＤ的光學(xué)參數，照度是表示被照射表面受照程度的光學(xué)量，而且測試單個(gè)ＬＥＤ對某點(diǎn)或某面的照度沒(méi)有太大意義，因為一般情況下對實(shí)際場(chǎng)合的照明都是由多個(gè)ＬＥＤ共同完成的。

5.5 其他參數的測量

其他如色品坐標、主波長(cháng)和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數等參數的測試，可以利用相關(guān)色度計或者采用光譜儀進(jìn)行。

6 ＬＥＤ的光輻射安全性測試與評價(jià)

近年來(lái)，ＬＥＤ的光輻射安全受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此本文也對此作一簡(jiǎn)單介紹。

浙江大學(xué)三色儀器有限公司在國內首先開(kāi)展了光輻射安全測試的研究，并與國家電光源檢測中心共同起草了非相干光源的光生物安全性國家標準。目前，浙大三色在ＬＥＤ的光輻射安全測試方面又取得新的進(jìn)展，為Ｐｈｉｌｉｐｓ公司進(jìn)行了照明ＬＥＤ測試工作，研究完成了具有中國自主知識產(chǎn)權的ＬＥＤ輻射安全檢測系統。下面以我們做的測試實(shí)例介紹ＬＥＤ光輻射安全性測試與評價(jià)的過(guò)程。

6.1 被測白光ＬＥＤ　

6.1.1 LED工作條件

燈管電流０．４１７Ａ，電壓１２Ｖ直流，功率５Ｗ。

6.1.2 實(shí)物圖與光譜分布（如圖8所示）

6.2 表觀(guān)光源的測試

如圖9所示，我們利用表觀(guān)光源測試系統對白光ＬＥＤ進(jìn)行了測試，這９幅圖是在０°（正對）和９０°方向上間隔１０°拍攝得到的表觀(guān)光源像。理論上我們應該按各個(gè)方向進(jìn)行光安全的測試評價(jià)，但是為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文只對０°方向的情況進(jìn)行測試評價(jià)（因為該方向光輸出最強），其他角度可以此類(lèi)推。０°方向表觀(guān)光源大小為直徑２．５ｃｍ的圓斑。

6.3 測試條件１

按照ＩＥＣ－６０８２５要求，首先按測試條件１進(jìn)行測試。白光ＬＥＤ出孔距光接收口２ｍ，光接收口直徑５０ｍｍ。

測試結果分析：
１類(lèi)ＡＥＬ計算
４００～６００ｎｍ的光化學(xué)危害：未超過(guò)規定ＡＥＬ
４００～７００ｎｍ的熱危害：未超過(guò)規定ＡＥＬ
７００～１４００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過(guò)規定ＡＥＬ

結論：該白光ＬＥＤ在測試條件１下測得的光輻射輸出未超過(guò)１類(lèi)激光產(chǎn)品的ＡＥＬ規定。

6.4 測試條件２　

白光ＬＥＤ光出射孔距光接收口１００ｍ，光接收口直徑為７ｍｍ。

測試結果分析：
（1）１類(lèi)ＡＥＬ計算
４００～６００ｎｍ的光化學(xué)危害ＡＥＬ：超過(guò)規定ＡＥＬ
結論：該白光ＬＥＤ超過(guò)１類(lèi)激光產(chǎn)品光化學(xué)危害ＡＥＬ規定，不屬于１類(lèi)產(chǎn)品。
（2）２類(lèi)ＡＥＬ的計算
４００～７００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過(guò)規定ＡＥＬ
７００～１４００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過(guò)規