LED照明與光色測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)

1、前言

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)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是新一代照明的首選器件。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(lái)，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)在眾多場(chǎng)合得到大量應(yīng)用，尤其是白光ＬＥＤ技術(shù)的不斷進(jìn)步，使其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸普及。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如圖1所示。

2、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)等系統(tǒng)組成。ＬＥＤ的基本工作原理是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換的過(guò)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)載流子相對(duì)不穩(wěn)定，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)的光的顏色就會(huì)不同。LED工作原理如圖2所示。

3、ＬＥＤ的光參數(shù)

3.1 光通量

光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺(jué)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：
Φ=Km■Φ（λ）gV（λ）dλ
式中，Ｖ（λ）—相對(duì)光譜光視效率；
Km—輻射的光譜光視效能的最大值，單位為L(zhǎng)ｍ/Ｗ。１９７７年由國(guó)際計(jì)量委員會(huì)確定Km值為６８３Lm/W（λｍ＝５５５ｎｍ）.

3.2 光強(qiáng)度

光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度I是該光源在該方向的立體角元內(nèi)傳輸?shù)墓馔浚洇党栽摿Ⅲw角元ｄΩ之商，即：
I=■
發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（ｃｄ），１ｃｄ＝１Lｍ/１ｓｒ?？臻g各個(gè)方向的光強(qiáng)之和就是光通量。

3.3 光亮度

光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度L，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平面上的正投影面積之商，即：
L=■
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。

3.4 光照度

表面上一點(diǎn)的照度E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：
E=■
單位為勒克斯（Lｘ），１Lｘ＝１Lｍ/ｍ２。

3.5 其他參數(shù)

LED的光參數(shù)還包括：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。

4 ＬＥＤ光色測(cè)量的必要性

4.1 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)出光角不加以嚴(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)?duì)人體造成光輻射危害。光色測(cè)量可為ＬＥＤ的安全使用提供指導(dǎo)。

4.2 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)。

5 ＬＥＤ的光色測(cè)量方法

5.1 光通量的測(cè)量

5.1.1 積分法

測(cè)得ＬＥＤ在各個(gè)方向的光強(qiáng)，然后對(duì)這些光強(qiáng)值進(jìn)行計(jì)算，從而得到ＬＥＤ的總光通量（如圖3所示）。

5.1.2 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)原理可知，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4（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4（b）所示。

5.1.3 2π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5所示），稱為前射光通量的測(cè)試或２π立體角光通量。該測(cè)試并不是測(cè)試ＬＥＤ的總光通量，但人們常常將其與測(cè)試ＬＥＤ的總光通量相混淆。

5.2 光強(qiáng)度測(cè)量

對(duì)于ＬＥＤ光強(qiáng)的測(cè)試，ＣＩＥ－１２７規(guī)定了兩種測(cè)試條件，如圖6和表所示。

5.3 光亮度

ＬＥＤ亮度的測(cè)試通常應(yīng)用在測(cè)試ＬＥＤ芯片的亮度和評(píng)價(jià)ＬＥＤ光輻射安全性的過(guò)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，如圖7所示。

5.4 光照度測(cè)量

嚴(yán)格地說(shuō)，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對(duì)某點(diǎn)或某面的照度沒(méi)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。

5.5 其他參數(shù)的測(cè)量

其他如色品坐標(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。

6 ＬＥＤ的光輻射安全性測(cè)試與評(píng)價(jià)

近年來(lái)，ＬＥＤ的光輻射安全受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此本文也對(duì)此作一簡(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(kāi)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ＬＥＤ光輻射安全性測(cè)試與評(píng)價(jià)的過(guò)程。

6.1 被測(cè)白光ＬＥＤ　

6.1.1 LED工作條件

燈管電流０．４１７Ａ，電壓１２Ｖ直流，功率５Ｗ。

6.1.2 實(shí)物圖與光譜分布（如圖8所示）

6.2 表觀光源的測(cè)試

如圖9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，這９幅圖是在０°（正對(duì)）和９０°方向上間隔１０°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)，但是為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文只對(duì)０°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)），其他角度可以此類推。０°方向表觀光源大小為直徑２．５ｃｍ的圓斑。

6.3 測(cè)試條件１

按照ＩＥＣ－６０８２５要求，首先按測(cè)試條件１進(jìn)行測(cè)試。白光ＬＥＤ出孔距光接收口２ｍ，光接收口直徑５０ｍｍ。

測(cè)試結(jié)果分析：
１類ＡＥＬ計(jì)算
４００～６００ｎｍ的光化學(xué)危害：未超過(guò)規(guī)定ＡＥＬ
４００～７００ｎｍ的熱危害：未超過(guò)規(guī)定ＡＥＬ
７００～１４００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過(guò)規(guī)定ＡＥＬ

結(jié)論：該白光ＬＥＤ在測(cè)試條件１下測(cè)得的光輻射輸出未超過(guò)１類激光產(chǎn)品的ＡＥＬ規(guī)定。

6.4 測(cè)試條件２　

白光ＬＥＤ光出射孔距光接收口１００ｍ，光接收口直徑為７ｍｍ。

測(cè)試結(jié)果分析：
（1）１類ＡＥＬ計(jì)算
４００～６００ｎｍ的光化學(xué)危害ＡＥＬ：超過(guò)規(guī)定ＡＥＬ
結(jié)論：該白光ＬＥＤ超過(guò)１類激光產(chǎn)品光化學(xué)危害ＡＥＬ規(guī)定，不屬于１類產(chǎn)品。
（2）２類ＡＥＬ的計(jì)算
４００～７００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過(guò)規(guī)定ＡＥＬ
７００～１４００ｎｍ的ＡＥＬ：未超過(guò)規(guī)