LED基礎知識：光色的測量（圖解）

圖1：LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

　　1、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)系統等組成。LED的基本的工作原理是一個(gè)電光轉換過(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)生的少數載流子是不穩定的，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)生的光子的能量就越高。能量級差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長(cháng)就不同，相應的光的顏色就不同。

圖2：LED的工作原理

　　2、LED的光參數

（1）光通量
　　
　　光通量是光源在單位時(shí)間內發(fā)出的光量，也即輻射功率（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。

　　式中V（λ）為相對光譜光視效率，Km為輻射的光譜光視效能的最大值，單位為lm/W，1977年由國際計量委員會(huì )確定Km值為683lm/W（λm=555nm）。

　?。?）光強度
　　
　　光源在給定方向上的發(fā)光強度是該光源在該方向的立體角元dΩ內傳輸的光通量dΦ除以該立體角元之商，即：

　　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。
　　
　?。?）光亮度
　　
　　光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度是該面元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的平面上的正投影面積之商，即：

　　單位為坎德拉每平方米（cd/㎡）。當發(fā)光表面與測量方向垂直時(shí)，則cosθ=1。

　?。?）光照度
　　
　　表面上一點(diǎn)的照度是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量dΦ除以該面元面積dS之商。即：

單位為勒克斯（lx），1lx=1lm/㎡。
　　
　?。?）其它
　　
　　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。

圖4：其他參數

　3、LED光色測量的必要性
　　
　?。?）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 )對人體造成一定的光輻射危害。光色測量可為L(cháng)ED的安全使用提供指導。
　　
　?。?）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。
　　
　　二、LED的光色測量
　　
　　1、光通量
　　

（1）積分法
　　
　　測得LED在各個(gè)方向的光強，然后由這些光強值計算得到LED的總光通量。

圖5：積分球法測LED光通量

　?。?）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)原理可得，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6（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6（b）所示。

圖6：積分球法測LED光通量

圖7：LED的2p立體角光通量測試

（3）2p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7所示，稱(chēng)為前射光通量的測試或2p立體角光通量。該測試并不是測試LED的總光通量，但是人們常常將其與測試LED的總光通量混淆。

　　2、光強度
　　
　　對于LED的光強的測試，CIE-127規定了兩種測試條件，如圖8和表1所示。

圖8：LED光強測試

表1：CIE-127規定了兩種測試條件

　　3、光亮度
　　
　　LED亮度的測試一般應用于測試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（圖9（b））。

圖9：LED亮度測試

4、光照度
　　
　　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的對某點(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、其它參數
　　
　　色品坐標、主波長(cháng)和色純度、色溫和相