CIE與IEC的LED參數測量標準

●恒電流和一個溫度穩定的電壓將導致LED 有一個穩定的電功率消耗。不過須注意,不控制溫度上升的電功率穩定將會導致一個非常不同的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,整個分布將顯著地朝長波方向移動(但藍光LED一般是向短波長方向移動) 。

3.1.3 　溫度對輻射的影響

●表面看起來,不變的電流電壓似乎能提供LED 一個恒定的電功率。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隨溫度而發生輕微的改變,另一方面當溫度上升時,整個分布將朝長波方向漂移(對藍光LED 則向短波方向漂移) 。

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

　　
●管芯溫度升高的速率依賴于輸入的電功率和LED 封裝產品的熱容。在熱平衡以后管芯的溫度主要取決于管芯通過引腳向環境的散熱。因此,LED 結構的熱學性能、引線長度和熱沉三者決定了管芯溫度。

　　
●在高的環境溫度下,當電流固定時,正向電壓會下降。而對此進行調整以穩定LED 的電功率消耗會影響芯片的溫度,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LED 光功率輸出的手段。

　　
3.2 　誤差的產生原因

因為LED 的機械軸和光軸很少會重合, 加上LED 發光的面積、形狀、尺寸和結構總存在差別,故很難確定LED 的發光中心,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

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

3.4 　LED 的發光強度測量

●LED 不是點光源,距離平方反比定律不適用。

●因為LED 沒有真正意義上的發光強度,折衷之下提出“平均發光強度”的說法。

●規定遠場(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(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 倍關系相互聯系。

3.5 　光通量的測量

●變角光度計法:以LED 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,缺點是測量時間長。

　　
●積分球法:這是一個相對測量儀器,故必須事前對其定標。為了消除LED 自吸收的誤差,CIE 建議用一個輔助LED 插入積分球內同時測量。
3.6 　光譜量的測量

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

　　
●對質心波長要特別注意: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) ,均可顯著地改變質心波長的位置。

4 　對CIE 和IEC 提出的一些建議

4.1 　關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。國產硅光電二極管由于質量原因目前不宜使用,那么國外產品呢?日本濱松HamamatsuS1337 無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 的價格1 000 元/ 只,而S6337 的價格為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 年頒布的明視覺函數曲線,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 　關于單色管發光強度光譜分布的帶寬

在測量LED 的輻射強度時,帶寬是一個重要的因子,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。實質上單色儀是波長可變的濾波器。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,只有去除了這個卷積,才能得到正確的波形。所以單色LED 通過單色儀時,帶寬必然增加,俗稱“儀器加寬”。這個現象只有用狹縫函數[7 ] 才能正確處理。至于光柵加線陣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。
　
4.4 　色溫修正
　　
考慮到發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。

5 　結束語
　
由于標準的制定遠遠跟不上LED 產業發展的步伐,導致國內外的測量標準(草稿) 滿足不了產業界的要求。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。