CIE與IEC的LED參數測量標準

引言

LED 技術(shù)雖然已經(jīng)有40 多年的發(fā)展歷史,在產(chǎn)業(yè)界依然存在LED 光學(xué)參數測試再現性差,測量不確定度大,不同測試裝置之間的測試結果一致性差等現象[1～3 ] 。究其原因,如同國內對LED 產(chǎn)業(yè)存在多頭管理,國際上也一樣: 國際半導體設備與材料組織(SEMI) ,國際電工委員會(huì )( IEC) 和國際照明委員會(huì )(CIE) 都程度不同地涉及到LED ,尤其是后兩個(gè)委員會(huì )。正是由于LED 的相關(guān)測量標準是由國際上不同的標準化組織制定的,而且各個(gè)國際組織總體上沒(méi)有系統的規劃,相關(guān)組織間也沒(méi)有充分協(xié)商,因而存在不同的質(zhì)量評價(jià)體系,所頒文件的技術(shù)內容也不盡相同。IEC 成立于1906 年,它把LED 作為一個(gè)顯示用半導體器件處理,側重于它的物理特性。CIE 成立于1913 年,它更多地把LED 作為一個(gè)光源器件處理,所以導致各自的LED 測量標準之間存在微小的差異。本文試圖通過(guò)比較各自的標準,找出兩者的不同之處,以便為L(cháng)ED 測試方法標準的最終定稿提供一些參考。

1 　CIE 和ICE 對同一事件的不同表述

1.1 　發(fā)光(輻射) 效能的定義

首先,必須修正對這個(gè)術(shù)語(yǔ)的誤解,發(fā)光(輻射)效率(efficiency) 用在此文中是不妥的,因為效率是指無(wú)量綱的物理量,而此處是有量綱的。所以,正確的叫法是“發(fā)光(輻射) 效能(efficacy) ”。

發(fā)光(輻射) 效能的定義:

CIE 定義:LED 發(fā)出的光通量(輻射通量) 與耗費電功率之比。

IEC 定義:LED 發(fā)出的光通量(輻射通量) 與耗費正向電流之比[4 ] 。

評論:CIE 的發(fā)光效能要測3 個(gè)物理量:總光通量,正向電流,正向電壓(或內阻) 。而IEC 只需測量?jì)蓚€(gè)物理量:總光通量、正向電流。它沒(méi)有選擇正向電壓是很明智的,因正向電壓會(huì )隨管芯溫度的升高而下降。作者認為,IEC 的定義是不夠嚴謹的。因為即使對于同一批次的管芯和封裝,管芯的內阻及端電壓存在微小差異,所以?xún)H適用于對發(fā)光(輻射) 效能允許有一定變動(dòng)范圍的情況。這樣測試時(shí)間將縮短,因只需測量?jì)蓚€(gè)物理量。

1.2 　發(fā)光強度的測量距離

CIE[5 ] 規定了發(fā)光強度的測量距離有兩種:遠場(chǎng)(條件A) 為316mm ,對應的立體角為01001Sr ; 近場(chǎng)(條件B) 為100mm ,對應的立體角為0101Sr :兩者之間可以相互轉換,遠場(chǎng)測量結果乘以10 就得到近場(chǎng)測量結果。

　　
IEC[6 ]規定的測量距離僅為近場(chǎng)(條件B) ,立體角 0101Sr ; (為什么不寫(xiě)等于0101Sr ?) 。

　　
對測量距離,CIE 明確規定從LED 的外殼頂端到光探測器的靈敏面。而IEC 規定得比較模糊。

　　
評論:表面看起來(lái),遠場(chǎng)測量比近場(chǎng)測量有時(shí)候不確定度要小,因為在此條件下對測量距離、電流和雜散光的要求可相對低一些。但同時(shí),LED 安裝傾角的影響卻相對增大,這可是一個(gè)大誤差源。一般而論,遠場(chǎng)條件可適用強照明及封裝產(chǎn)品,而近場(chǎng)條件適用于弱照明和芯片、指示燈和背光源等。故均有存在的必要性。其次,CIE 在邏輯上不夠嚴謹。首先,它用很大篇幅說(shuō)明了LED 不是點(diǎn)光源,故距離平方反比定律不成立,發(fā)光強度這個(gè)概念也不適用。另外在實(shí)踐上,它實(shí)際上是測量LED 在光電探測器靈敏面上的照度,然后乘以距離的平方而得到發(fā)光強度。這樣,曾經(jīng)被否定的距離平方反比定律實(shí)際上仍用到了。

　　
1.3 　測量的外部條件

　　
CIE 明確規定測量的環(huán)境溫度為25 ℃,但沒(méi)提及大氣條件。

　　
IEC 則在籠統地提到環(huán)境溫度的同時(shí),也強調了適宜的大氣條件。

　　
評論:根據作者長(cháng)期對硅光電二極管深入研究的經(jīng)驗,LED 參數與大氣條件諸如大氣壓、濕度、潔凈度等有關(guān)是肯定的,只是尚未做這方面的實(shí)驗來(lái)予以證實(shí)。

　　
2 　IEC 提及卻被CIE 遺漏的內容

　　
2.1 　CIE 沒(méi)有提到LED 輻射強度的測量,這實(shí)際上是一個(gè)非常重要的物理量

　　
IEC 則用較大篇幅提到這一點(diǎn)。其一,指出輻射強度的測量定位應是機械軸方向(法向輻射強度) ;其二,提到要用無(wú)光譜選擇性的探測器如熱電偶堆等熱電探測器作為標準探測器:其三,提到要用近場(chǎng)測量。輻射強度對紅外發(fā)光二極管( IRED) 尤其重要。

　　
2.2 　CIE 沒(méi)有提到脈沖測量

　　
既然市場(chǎng)上有“閃光LED”,閃光頻率約為113～512Hz ,所以必須有相應的測量方法。

　　
IEC 規定,對閃光LED 的測量,光探測器的上升時(shí)間應該足夠小,而且應該能讀取脈沖的峰值。

　　
IEC 規定,為了測量峰值波長(cháng)的帶寬,單色LED的波長(cháng)分辨率和帶寬應能夠調節,以便測量有足夠的精度。輻射計的光譜響應進(jìn)行校正,不妨假定峰值波長(cháng)為100 % ,以便作歸一化處理。IEC 指出,若單色儀的透射因子和輻射計的靈敏度在所測量的波長(cháng)范圍內不是常數,則要對測量值做相應的修正。

2.3 　CIE 沒(méi)有提到LED 暗電流的測量

　　
IEC 強調指出,LED 暗電流的測量對溫度非常敏感,所以測量精度極大地依賴(lài)于環(huán)境溫度。另外,雜散光也是一個(gè)因素,測量最好在全黑環(huán)境下進(jìn)行。工作電流也必須從零開(kāi)始慢慢往上調節。

　　
2.4 　CIE 沒(méi)有提到總電容測量時(shí)的頻率

　　
由LED 和光晶體管組成的光耦合器,LED 在其中起著(zhù)開(kāi)關(guān)作用。其抗干擾能力比一般方法強。電容測量?jì)x的最小分辨率≮1PC ,而電容的測試頻率規定為1MHz ,這對LED 總電容的測量可能有借鑒作用。

　　
現行標準只籠統地提到“規定頻率”一詞,到底用多大頻率測量總電容尚無(wú)規定。

　　
2.5 　CIE 沒(méi)有提到LED 的開(kāi)關(guān)時(shí)間

　　
IEC 明確提到了光耦合器的開(kāi)關(guān)時(shí)間。如上升時(shí)間tr ,開(kāi)啟時(shí)間ton ,關(guān)閉延遲時(shí)間td ,下降時(shí)間tf ,關(guān)閉時(shí)間toff 等。

　　
3 　CIE 提及卻被IEC 所遺漏的內容

　　
與上節相比,這方面的內容就太多了,故只能點(diǎn)到為止。

　　
3.1 　LED 的性質(zhì)

　　
3.1.1 　LED 的光學(xué)性質(zhì)

　　
●發(fā)光強度的空間分布強調了對芯片的封裝經(jīng)常會(huì )改變它原來(lái)的光譜和空間分布。

　　
●相對于其它光源而言,LED 的光譜分布既不是單色的(與激光束比) ,也不是寬帶的(與白熾燈比) 。

　　
●LED 的發(fā)光面積,由于包裝和透鏡、反光鏡等的不同,而有不同的尺寸和形狀。與測量距離相比,LED 的發(fā)光面積大到不再是點(diǎn)光源。

　　
3.1.2 　LED 的電學(xué)性質(zhì)

●正向電壓:它的精確測量最好用4 線(xiàn)測量方法,而隨著(zhù)管芯溫度的上升正向電壓會(huì )下降。由于LED管芯發(fā)熱的作用,剛開(kāi)啟的時(shí)候,輻射功率上升的速度快于電功率的上升。而到了平穩工作期間,LED 的光輻射又強烈地依賴(lài)于正向電流。

●由于溫度和電壓之間的復雜關(guān)系,不推薦用穩定的電功率作為穩定的LED 光輸出功率的前提。

●正向電壓與組成LED 的半導體材料相關(guān):在正向電流20mA 的前提下,紅外管的端電壓是112V ,藍光管為615V ,其它的管子在這個(gè)范圍以?xún)取?/P>

●CIE 規定,測量時(shí)的環(huán)境溫度為25 ℃,但供給LED電源的接觸點(diǎn),管芯和熱沉之間引線(xiàn)的長(cháng)度和電阻均會(huì )顯著(zhù)地影響測量結果。

●CIE 也提到輻射效率是電流的函數。因為工作電流的增加不但會(huì )增加LED 光功率的輸出量,而且會(huì )提高芯片溫度,后者反過(guò)來(lái)又會(huì )影響到LED 的光功率輸出。如果對工作電流進(jìn)行調制,則芯片溫度會(huì )產(chǎn)生起伏現象,導致在同樣的電流下,平均光功率輸出不