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LED照明與光色測(cè)量

    作者：宏拓新軟件
    發(fā)布日期：2008-10-27         
閱讀：58     
 
 
摘　要：未來照明的主導(dǎo)是固體照明，LED照明是固體照明的主要組成部分，是理想的下一代照明器件。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開光色測(cè)量技術(shù)，本文從LED照明的發(fā)展要求出發(fā)對(duì)LED相關(guān)的光色測(cè)量進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：LED照明  光色測(cè)量  照明評(píng)價(jià)
 
 一、引言

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(zhǎng)、電壓低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是下一代照明器件的不二之選。LED的發(fā)展受到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。近年來，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)滲透到了大量的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是白光LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)越來越普及。
 　　
                                            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(zhuǎn)化為光能的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)等組成。LED的基本的工作原理是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換過程，當(dāng)一個(gè)正向偏壓施加于PN結(jié)兩端，由于PN結(jié)勢(shì)壘的降低，P區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子也向P區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)在兩個(gè)區(qū)域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子是不穩(wěn)定的，對(duì)于PN結(jié)系統(tǒng)，注入到價(jià)帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)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(jí)差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長(zhǎng)就不同，相應(yīng)的光的顏色就不同。
          
        圖2 LED的工作原理
       2、LED的光參數(shù)
         
                                              圖3 LED的主要光參數(shù)

（1）光通量

光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，也即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。光通量的符號(hào)為Φ，單位為流明（lm）。根據(jù)光譜輻射通量Φ（λ），由下式可確定光通量。
       
式中V（λ）為相對(duì)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(guó)際計(jì)量委員會(huì)確定Km值為683lm/W（λm=555nm）。

（2）光強(qiáng)度

光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在該方向的立體角元dΩ內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟Φ除以該立體角元之商，即
                 
發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（cd），1cd=1lm/1sr。空間各個(gè)方向的光強(qiáng)之和就是光通量。

（3）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(qiáng)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/m2）。當(dāng)發(fā)光表面與測(cè)量方向垂直時(shí)，則cosθ=1。 

（4）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/m2。

（5）其它

光譜、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等。
        
                                                   圖4 其他參數(shù)

3、LED光色測(cè)量的必要性

（1）避免危害

LED與傳統(tǒng)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(dāng)LED應(yīng)用于照明器具時(shí)，如果對(duì)出光角不加嚴(yán)格的控制就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光，某些高亮度LED產(chǎn)品甚至?xí)䦟?duì)人體造成一定的光輻射危害。光色測(cè)量可為L(zhǎng)ED的安全使用提供指導(dǎo)。

（2）促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

LED的光色測(cè)量能提供大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作為判定LED產(chǎn)品合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，并可為改進(jìn)LED的設(shè)計(jì)、制造提供依據(jù)。
 
 二、LED的光色測(cè)量

1、光通量

（1）積分法

測(cè)得LED在各個(gè)方向的光強(qiáng)，然后由這些光強(qiáng)值計(jì)算得到LED的總光通量。
                                                                圖5 積分球法測(cè)LED光通量
（2）積分球法

積分球又稱為光通球，是一個(gè)中空的完整球殼。內(nèi)壁涂白色漫反射層，且球內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)燈與被測(cè)燈進(jìn)行比較得到被測(cè)燈的光通量，如圖6（a）所示。

但是由于標(biāo)準(zhǔn)燈與被測(cè)燈的物理結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)的不同，如吸收，在利用積分球法測(cè)試光通量時(shí)需要對(duì)測(cè)試結(jié)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(cè)LED光通量

（3）2p立體角光通量的測(cè)試

利用積分球法測(cè)試LED光通量時(shí)還有一種測(cè)試結(jié)構(gòu)，如圖7所示，稱為前射光通量的測(cè)試或2p立體角光通量。該測(cè)試并不是測(cè)試LED的總光通量，但是人們常常將其與測(cè)試LED的總光通量混淆。
                            
                                   圖7 LED的2p立體角光通量測(cè)試

2、光強(qiáng)度

對(duì)于LED的光強(qiáng)的測(cè)試，CIE-127規(guī)定了兩種測(cè)試條件，如圖8和表1所示。
        
                                             圖8 LED光強(qiáng)測(cè)試
                               表1：CIE-127規(guī)定了兩種測(cè)試條件
         

3、光亮度

LED亮度的測(cè)試一般應(yīng)用于測(cè)試LED芯片的亮度和評(píng)價(jià)LED光輻射安全性的過程中。測(cè)試一般采用成像法，對(duì)于芯片的測(cè)試可以采用顯微成像進(jìn)行測(cè)量（圖9（b））。
        
                                             圖9 LED亮度測(cè)試

4、光照度

光照度實(shí)際上并不能算是LED的光學(xué)參數(shù)，照度是表示被照射表面受照程度的光學(xué)量。而且測(cè)試單個(gè)LED的對(duì)某點(diǎn)或某面的照度沒有太大意義，因?yàn)橐话闱闆r下對(duì)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(shù)

色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等參數(shù)的測(cè)試可以利用相關(guān)色度計(jì)或者采用光譜儀進(jìn)行測(cè)試。
 
 三、LED的光輻射安全性測(cè)試與評(píng)價(jià)

近年來，LED的光輻射安全受到越來越多的關(guān)注，因此本文也對(duì)此作一下簡(jiǎn)單介紹。

浙江大學(xué)三色儀器有限公司在國(guó)內(nèi)首先開展了光輻射安全測(cè)試的研究，并與國(guó)家電光源檢測(cè)中心共同起草了非相干光源的光生物安全性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前，浙大三色在LED的光輻射安全測(cè)試方面又取得新的進(jìn)展，為Philips公司進(jìn)行了照明LED測(cè)試工作，研究完成了具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LED輻射安全檢測(cè)系統(tǒng)。下面以我們做的測(cè)試實(shí)例介紹一下LED光輻射安全性測(cè)試與評(píng)價(jià)的大體過程。

1、被測(cè)白光LED

（1）LED工作條件
       燈管電流0.417A，電壓12V直流，功率5W。

（2）實(shí)物圖與光譜分布
         
                                        圖10 被測(cè)LED實(shí)物與光譜分布

2、表觀光源的測(cè)試

如圖11所示，我們利用表觀光源測(cè)試系統(tǒng)對(duì)白光LED進(jìn)行了測(cè)試，上述9幅圖是在0度（正對(duì)）和90度方向上間隔10度拍攝得到的表觀光源像。理論上我們應(yīng)該按各個(gè)方向進(jìn)行光安全的測(cè)試評(píng)價(jià)，但是本文為簡(jiǎn)單起見只對(duì)0度方向的情況進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)（因?yàn)樵摲较蚬廨敵鲎顝?qiáng)），其它角度可以此類推。0度方向表觀光源大小為直徑2.5cm的圓斑。
          
;                    圖11 白光LED表觀光源測(cè)試
 
 四、LED光色測(cè)量與照明評(píng)價(jià)

LED照明的最終目的是取得最佳的照明效果，而判斷照明效果的好壞也取決于LED的光色測(cè)量。

1、現(xiàn)行的照明評(píng)價(jià)

現(xiàn)行的照明評(píng)價(jià)主要是根據(jù)幾個(gè)主要光學(xué)基本量：光通量、光亮度、光強(qiáng)度和光照度等來進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中前三個(gè)基本量主要用于光源的評(píng)價(jià)，光照度則是對(duì)光源光輻射作用面的評(píng)價(jià)。這些光學(xué)基本量是根據(jù)人眼的生物物理特性得到的一個(gè)國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）認(rèn)可光譜光視效率函數(shù)V（λ）與對(duì)應(yīng)的輻射度量加權(quán)積分的結(jié)果，滿足關(guān)系：
       
       式中的Km=683lm/W。

2、存在的問題與不足

人眼的生物物理機(jī)理非常復(fù)雜，不同情況下對(duì)光刺激的響應(yīng)也不同，大體上可以分為明視覺、暗視覺和中間視覺，其中中間視覺尤其復(fù)雜，因此上述的光譜光視效率并不能確切地表示照明的實(shí)際效果。如圖13所示：同一個(gè)光源在明視覺和暗視覺下對(duì)人眼造成的刺激值明顯不同。另外，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的照明評(píng)價(jià)缺乏對(duì)光生物安全性的考慮，這可能會(huì)對(duì)人體造成不同程度的危害。
            

3、解決方法

（1）測(cè)試方法與儀器

采用全光譜法測(cè)得LED的光譜分布，如圖11所示，利用光譜儀進(jìn)行分光測(cè)試。
           

（2）評(píng)價(jià)方法

 a）照明效果

根據(jù)不同視覺條件采用不同的光譜光視效率函數(shù)加權(quán)LED光譜分布數(shù)據(jù)，得到被測(cè)光源光輻射在對(duì)應(yīng)視覺條件下的實(shí)際照明效果。例如，暗視覺時(shí)采用暗視覺光譜光是效率函數(shù)，明視覺時(shí)采用明視覺光譜光是效率函數(shù)，中間視覺采用中間視覺光譜光是效率函數(shù)。

b）光生物安全性

根據(jù)危害種類的采用對(duì)應(yīng)的效果函數(shù)加權(quán)LED光譜分布數(shù)據(jù)得到實(shí)際危害效果。

總之，LED照明評(píng)價(jià)應(yīng)該符合人體實(shí)際的生物物理需求。
 
 五、總結(jié)與展望

第一、LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開LED的光色測(cè)量技術(shù)，而為了適應(yīng)LED的照明應(yīng)用，未來的光色測(cè)量技術(shù)應(yīng)該有新的突破。

第二、LED照明與光色測(cè)量應(yīng)該以人為本，一切以適應(yīng)人類的實(shí)際要求為導(dǎo)向。

第三、當(dāng)前任務(wù)：

（1）加強(qiáng)人體相關(guān)的生物學(xué)基礎(chǔ)理論的研究，促進(jìn)學(xué)科的交叉合作。

（2）與國(guó)際接軌，加快規(guī)范性文件的制定與實(shí)施，努力并積極地參與CIE、IEC等國(guó)際知名組織的活動(dòng)。

（3）加大科研投入，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光色測(cè)量?jī)x器。

（4）加強(qiáng)各類測(cè)試技術(shù)的研究，培養(yǎng)專業(yè)的測(cè)試人員，并加快提高質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的裝備水平和檢測(cè)能力。
 

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