CIE與IEC的LED參數測量標準

●恒電流和一個(gè)溫度穩定的電壓將導致LED 有一個(gè)穩定的電功率消耗。不過(guò)須注意,不控制溫度上升的電功率穩定將會(huì )導致一個(gè)非常不同的LED 運行條件。輻射的相對功率分布將影響如下兩個(gè)方面:一是它將輕微地改變光強分布的形狀;二是當溫度上升時(shí),整個(gè)分布將顯著(zhù)地朝長(cháng)波方向移動(dòng)(但藍光LED一般是向短波長(cháng)方向移動(dòng)) 。

3.1.3 　溫度對輻射的影響

●表面看起來(lái),不變的電流電壓似乎能提供LED 一個(gè)恒定的電功率。然而,如果不控制溫度則不可能得到穩定的光功率輸出。原因是:LED 的相對功率分布一方面會(huì )隨溫度而發(fā)生輕微的改變,另一方面當溫度上升時(shí),整個(gè)分布將朝長(cháng)波方向漂移(對藍光LED 則向短波方向漂移) 。

　　
●只要溫度存在著(zhù)變化,則LED 發(fā)出的輻射通量也總處于變化狀態(tài)中,即效率(efficiency) 在變化。對綠色單色管而言,因它處于∨(λ) 曲線(xiàn)的峰值附近,故而變化小一些。對紅光和藍光單色管而言,因處于∨(λ) 曲線(xiàn)的尾部,則變化要大一些。

　　
●管芯溫度升高的速率依賴(lài)于輸入的電功率和LED 封裝產(chǎn)品的熱容。在熱平衡以后管芯的溫度主要取決于管芯通過(guò)引腳向環(huán)境的散熱。因此,LED 結構的熱學(xué)性能、引線(xiàn)長(cháng)度和熱沉三者決定了管芯溫度。

　　
●在高的環(huán)境溫度下,當電流固定時(shí),正向電壓會(huì )下降。而對此進(jìn)行調整以穩定LED 的電功率消耗會(huì )影響芯片的溫度,從而影響LED 的端電壓。因此,電功率的穩定不能作為一種改進(jìn)LED 光功率輸出的手段。

　　
3.2 　誤差的產(chǎn)生原因

因為L(cháng)ED 的機械軸和光軸很少會(huì )重合, 加上LED 發(fā)光的面積、形狀、尺寸和結構總存在差別,故很難確定LED 的發(fā)光中心,從而導致角度和位置兩方面對準的困難,增加了測量的不確定度。

　　
3.3 　光電探測器的性質(zhì)

　　CIE 推薦使用“硅光電二極管”,選用標準主要有兩個(gè):一是面響應均勻性,即靈敏面上各點(diǎn)輸出的測試信號均相同;二是響應與被測光的入射角無(wú)關(guān)。

3.4 　LED 的發(fā)光強度測量

●LED 不是點(diǎn)光源,距離平方反比定律不適用。

●因為L(cháng)ED 沒(méi)有真正意義上的發(fā)光強度,折衷之下提出“平均發(fā)光強度”的說(shuō)法。

●規定遠場(chǎng)(條件A) 為316mm ,對應的立體角為0.001Sr 。相應的平面角為2°。規定近場(chǎng)(條件B) 為100mm ,對應的立體角為0.01Sr。相應的平面角為615°。兩者之間可用10 倍關(guān)系相互聯(lián)系。

3.5 　光通量的測量

●變角光度計法:以L(fǎng)ED 的頂部為假想球心,光電探測器與LED 的距離為假想球半徑,然后把此假想球面分成N 個(gè)部分,假設每一部分的照度相同,則積分或累加后很容易得到總光通量。這是最準確的絕對測量方法,缺點(diǎn)是測量時(shí)間長(cháng)。

　　
●積分球法:這是一個(gè)相對測量?jì)x器,故必須事前對其定標。為了消除LED 自吸收的誤差,CIE 建議用一個(gè)輔助LED 插入積分球內同時(shí)測量。
3.6 　光譜量的測量

　　
●與別的標準不同,CIE 增加了“中心波長(cháng)”的概念:即波形半寬度的中間點(diǎn)所對應的波長(cháng)。這樣就解決了許多單色管的配光曲線(xiàn)在法向方向凹進(jìn)去的波長(cháng)描述的困惑。其它如主波長(cháng)、峰值波長(cháng)和質(zhì)心波長(cháng)各種標準中均有提及,此略。

　　
●對質(zhì)心波長(cháng)要特別注意:由它的定義和公式可知,它強烈地受制于LED 光譜分布的形狀。即使光譜形狀有非常小的改變(尤其在紫外和紅外處) ,均可顯著(zhù)地改變質(zhì)心波長(cháng)的位置。

4 　對CIE 和IEC 提出的一些建議

4.1 　關(guān)于硅光電二極管靈敏面的面積

CIE 規定:靈敏面的面積為100mm2 (相應的直徑為Φ1.13mm) ,且靈敏面必須是圓形。國產(chǎn)硅光電二極管由于質(zhì)量原因目前不宜使用,那么國外產(chǎn)品呢?日本濱松HamamatsuS1337 無(wú)窗系列的硅光電二極管的靈敏面尺寸為10 ×10 (mm2 ) ,并且美國UDT公司和EGG公司所制的硅光電二極管也大致為上述尺寸。若選用10mm 作為光電探測器靈敏面的直徑,則相應的靈敏面面積僅為7815mm2 , 比CIE 的規定要小2.15mm2 ,面積減小20 %以上,造成量值的混亂。若用S6337 無(wú)窗系列, 它的靈敏面面積為18 ×18(mm2 ) ,取1.13mm 作直徑太浪費。而且S1337 的價(jià)格1 000 元/ 只,而S6337 的價(jià)格為4 500 元/ 只。故此強烈建議CIE 把光電探測器靈敏面的直徑改為10mm。

4.2 　關(guān)于光電探測器的光譜靈敏度和∨(λ) 濾光器的匹配精度

兩者的匹配結果應符合CIE1924 年頒布的明視覺(jué)函數曲線(xiàn),其偏差一般用f1 表示。CIE 要求f1 1.5 % ,這樣太苛求了。因為目前世界上∨(λ) 濾光器做得最好的是德國,f1 為1.5 %。目前, ∨(λ) 濾光器國內的水平受制于材料(有色中性玻璃) 和工藝條件,只能做到4 %～5 %。根據國情, 我們認為f1 定為2.2 %比較適合。

4.3 　關(guān)于單色管發(fā)光強度光譜分布的帶寬

在測量LED 的輻射強度時(shí),帶寬是一個(gè)重要的因子,而相應波形下的面積即是單色管的總光通量。但提及光譜分布必須涉及到單色儀。實(shí)質(zhì)上單色儀是波長(cháng)可變的濾波器。根據濾波理論,輸出信號是輸入信號和儀器本身傳遞函數的卷積,只有去除了這個(gè)卷積,才能得到正確的波形。所以單色LED 通過(guò)單色儀時(shí),帶寬必然增加,俗稱(chēng)“儀器加寬”。這個(gè)現象只有用狹縫函數[7 ] 才能正確處理。至于光柵加線(xiàn)陣CCD 的LED 色度儀,其儀器加寬效應更加明顯,在此不予討論。此外,建議CIE 規定單色儀入P出射狹縫的寬度,因為波形的帶寬與此也密切相關(guān)。
　
4.4 　色溫修正
　　
考慮到發(fā)光強度的國家基準和總光通量的國家副基準大多數為2 856K的A 光源作為標準燈,而LED的色溫目前普遍在4 000～7 000K之間,所以必須進(jìn)行色溫修正,修正量一般為3 %左右。色溫修正的前提是必須知道所用光電探測器的光譜響應曲線(xiàn)。

5 　結束語(yǔ)
　
由于標準的制定遠遠跟不上LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐,導致國內外的測量標準(草稿) 滿(mǎn)足不了產(chǎn)業(yè)界的要求。限于水平,雖然有不少謬誤之處,筆者仍希望此文有助于正式標準的制定。