１ 概述 自１９７６年第一個紅光ＬＥＤ問世以來，經過3０年的發展，ＬＥＤ已形成各種光譜系列產品，單個ＬＥＤ的功率也從最初的零點零幾瓦發展至幾瓦乃至數十瓦。２００１年白光ＬＥＤ研制成功，人們期待ＬＥＤ最終能進入照明領域，甚至進入家庭照明。最新白光ＬＥＤ的研究成果更是激動人心。小功率ＬＥＤ的發光效率已達１００lm/W。特別是ＲＧＢ－ＬＥＤ的研究結果表明，ＬＥＤ也與常規三基色熒光燈一樣，可以獲得各種不同的色溫和均勻的照明環境。 ＬＥＤ光源的進展和人們對它在照明領域中應用的期待，也對相應的光學檢測技術有了新的要求。由于ＬＥＤ的光學特性與傳統光源有較大差別，需要研究開發適應這種新型光源的測量方法。２ 國際照明委員會（ＣＩＥ）技術委員會（ＴＣ）相關ＬＥＤ的技術特性研究國際照明委員會（ＣＩＥ）的兩個分部：Ｄ１（視覺和顏色分部）、Ｄ２（光和輻射測量分部），正在研究白光ＬＥＤ的顯色性和相關的計量問題，并已轉發Ｄ１∶ＴＣ １－６５，ＴＣ １－６２這兩個研究色表的目視測量和ＬＥＤ的顯色性的文件草案。 ＴＣ １－ ６２文件《Ｃｏｌｏｕｒ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ》可能部分替代ＣＩＥ １３．３－１９９５出版物。這兩個文件已進入投票階段。 ＴＣ １－ ６２文件《Ｃｏｌｏｕｒ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ》介紹了白光ＬＥＤ顯色指數ＣＲＩ的目視實驗結果。ＣＩＥ １３．３－１９９５出版物中規定了ＣＲＩ的計算方法，如果白光ＬＥＤ對ＣＲＩ進行計算的結果與目視結果有矛盾，文件確定存在這一矛盾。技術報告的結論是：應用包括白光ＬＥＤ在內的顯色性計算時，ＣＩＥ ＣＲＩ并不適用。技術委員會建議Ｄ１建立一組新的顯色指數，這些顯色指數不立即替代目前的ＣＩＥ顯色指數計算方法。新的顯色指數作為ＣＩＥ ＣＲＩ的補充，在成功地應用組合新的顯色指數后才能確定替代目前ＣＲＩ的計算方法。Ｄ２成立專門的技術委員會ＴＣ ２－４５研究ＬＥＤ的測量方法：ＴＣ ２－４５文件《Ｍｅａ-ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ＬＥＤＳ》正在投票中，它將會替代ＣＩＥ １２７出版物。３ ＬＥＤ發光效率極限值 長期以來，半導體研究專家探索各種新技術以提高ＬＥＤ的內、外量子效率，２００６年已有小功率白光ＬＥＤ發光效率達１００ｌｍ/Ｗ的報導。為確定合理的ＬＥＤ發光效率期待值，需要從光度學、色度學的基礎上計算ＬＥＤ發光效率極限值。 １９７９年１０月，第十屆國際計量大會（ＣＧＰＭ）定義了新坎德拉（ｃｄ）。坎德拉（ｃｄ）為發出單色輻射頻率５４０．０１５４×１０１２Ｈｚ（波長５５５ｎｍ）的光源在給定方向上的發光強度，在該方向上的輻射強度為：１ｃｄ＝（１/６８３）Ｗ/ｓｒ（波長５５５ｎｍ）；１ｃｄ＝１ｌｍ/ｓｒ；１Ｗ＝６８３ｌｍ（波長５５５ｎｍ）。 如果忽略供電損耗、內量子效率、外量子效率數值，可以計算出各種光源和ＬＥＤ的發光效率極限值。 圖１為人眼光譜光效率及理想等能白光的光譜功率分布。由于人眼的光譜響應特性，理想等能白光經加權計算后，可以得到在可見光譜范圍內的理想等能白光極限發光效率為１８２．４５ｌｍ/Ｗ。 在照明領域中，一種新型光源的誕生，其壽命、光效是重要的質量指標，但它對各種顏色的顯色特性是照明光環境的另一重要質量指標。低壓鈉燈的２條黃色光譜線的理論發光效率可達４５０ｌｍ/Ｗ（如圖2所示），實際光效超過２００ｌｍ/Ｗ。但由于它的顯色特性差，最終被高壓鈉燈、金鹵燈所替代。 考察ＬＥＤ這一新型光源，在犧牲一些顯色性指數Ｒａ的條件下與理想等能白光比較，白光ＬＥＤ的極限發光效率還會高一些，大約在２００ｌｍ上下。對于一個實際應用于照明領域中的白光ＬＥＤ，發光效率的目標值設定在１５０～１６０ｌｍ/Ｗ是合理的。 除了照明應用的白光ＬＥＤ外，各種光譜的ＬＥＤ的發光效率也可根據圖２所示的數據進行估算。圖３是紅、綠、藍（６４３ｎｍ，５３５ｎｍ，４６０ｎｍ）ＬＥＤ的極限發光效率值。４ ＬＥＤ與傳統光源的比較（１）ＬＥＤ體積小，有各種不同的外形尺寸，適用于不同應用場所（如圖４所示）。（２）ＬＥＤ具有多種顏色，紫外、紫色、綠色、黃色、紅色到紅外，白光ＬＥＤ光譜如圖５所示。（３）ＬＥＤ光學參數與溫度有關（如圖６、圖７所示）；（４）ＬＥＤ光學參數與觀察角度有關；（５）ＬＥＤ有各種不同的配光曲線，而且沒有確定的光軸（如圖８所示）。ＬＥＤ的上述特性，給ＬＥＤ光學特性的測量帶來很多問題。５ ＬＥＤ光學特性的測量ＬＥＤ的光學特性檢測應從下面幾個特性來考慮：（１）發光強度；（２）總光通量；（３）光譜特性、色品坐標、主波長；（４）發光強度的空間分布和總光通量。５．１ 發光強度 由于ＬＥＤ的結構特點，為提高其發光效率，在其底部配裝反射器，實際上它本身就是一個燈具。各個區域發出的光線有不同的聚焦點，它并不是一個點光源。因此，在評價ＬＥＤ發光強度時，光度學中的距離平方反比定律不適用。ＣＩＥ１２７出版物中規定了兩種目前國際公認的測量條件如圖９、圖１０所示。 應用上述兩種測量條件的測量結果能進行國際間的對比。Ａ和Ｂ測量條件并不嚴格按照發光強度的定義進行，因此被稱為“平均發光強度”（ＡＬＩ）。 關于測量探測器的修正：由于測量探測器Ｖ（?姿）的配匹誤差將造成“平均發光強度”（ＡＬＩ）的測量誤差（如圖１１所示），Ｖ（?姿）的配匹誤差對紅、藍ＬＥＤ的測量結果影響更為嚴重，采用光譜修正方法可以提高測量精度。對ＬＥＤ發光強度測量儀器的要求：（１）測量立體角要正確ｄΩ＝０．００１ｓｒ（Ａ條件）ｄΩ＝０．０１ｓｒ（Ｂ條件）（２）測量機械軸正確；（３）有效的防雜散光設計；（４）精密的Ｖ（λ）光探測器；（５）提供Ｖ（λ）光探測器光譜數據，便于修正測量值；（６）配備高穩定性的供電電源。５．２ ＬＥＤ光通量的測量 應用分布式光度計可對ＬＥＤ總光通量進行精確測量（探測器光譜響應曲線已修正的條件下）。這是ＬＥＤ總光通量的絕對測量方法，但測試儀器昂貴，工業中常用積分球進行測量。（１）積分球的尺寸盡可能大，可減少擋屏吸收及異物誤差；（２）鍍層表面反射比越大，球內表面的響應率差異越少。目前在ＬＥＤ測試中，鍍層表面反射比甚至大于９８％。（３）注意被測ＬＥＤ的安裝位置，應將發射的光線對準積分球內表面響應均勻的區域；（４）應用輔助光源減少擋屏吸收及異物誤差。５．３ 光譜特性、色品坐標、主波長的測量 根據國際照明委員會（ＣＩＥ）三次ＬＥＤ國際專家會議的技術交流和相關國際對比結果，現建議如下：（１）國家計量部門應該采用雙單色儀測量系統；（２）單色儀測量系統可滿足工業部門應用；（３）１ｎｍ和５ｎｍ光譜測量帶寬的色度測試結果比較接近，可采用５ｎｍ帶寬測量；（４）主波長的對比測量差別很小；（５）ＣＣＤ測量儀器相對誤差較大。６ 標準ＬＥＤ６．１ ＬＥＤ光學特性測量的理論與技術基礎（１）根據以上對ＬＥＤ光學特性的分析，國家計量部門和工業界可應用常規的光度、色度及輻射度儀器對ＬＥＤ的總光通量、光譜特性、色品坐標、主波長、色溫等參數進行測量。（２）對于ＬＥＤ發光強度的測量，由于ＬＥＤ發光特性不遵循光度學的距離平方反比定律，ＣＩＥ１２７文件推薦采用Ａ，Ｂ條件測量ＬＥＤ平均發光強度（ＡＬＩ）。（３）為了提高平均發光強度、光通量等量值傳遞過程中測量的不確定度和提高測量效率，ＣＩＥ建立了Ｔｃ２－４５、Ｔｃ２－４６、Ｔｃ２－５０等技術委員會，開展相關的研究和評價工作，以及對標準ＬＥＤ的研究。（４）光度學、色度學、輻射度學的基本理論是ＬＥＤ的測量基礎。標準Ａ光源是測定標準ＬＥＤ光譜功率分布特性的重要基準。（５）準確的標準ＬＥＤ光通量值可用分布式光度計測量確定。作為一種補充測試方法，美國（ＮＩＳＴ）、匈牙利、英國（ＮＰＬ）、德國（ＰＴＢ）等國家以及我國都在積極開展標準ＬＥＤ研究工作。６．２ 對標準ＬＥＤ特性的要求（１）標準ＬＥＤ的工作溫度一般大于環境溫度，也有致冷的技術方案；（２）標準ＬＥＤ的樣品需要老化幾百小時，選擇其中的穩定者進行后期標定工作；（３）標準ＬＥＤ必須與測試樣品具有同樣的光譜功率分布，需要建立多種不同顏色的標準ＬＥＤ。特別是白光ＬＥＤ，由于它可由不同光譜組成，研制通用的白光ＬＥＤ標準幾乎不太可能；（４）標準ＬＥＤ必須與測試樣品具有同樣的發光強度分布曲線（配光曲線），如果待測ＬＥＤ的顏色（光譜）與標準ＬＥＤ（光譜）有差異，則需對光度探器進行光譜校正。６．３ 應用標準ＬＥＤ測量的優點（１）不需要對光度探頭進行光譜校正；（２）不需要對光度計參考平面進行嚴格的定位，圖13、圖14是標準ＬＥＤ的應用。
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