LED光學(xué)參數(shù)的測量技術(shù)與LED國家光度標(biāo)準(zhǔn)的研究

１、前言
         近30年來，LED發(fā)光二極管的技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了飛速發(fā)展的過程。LED以其固有的高效率、長壽命、低損耗、耐振動、響應(yīng)速度快等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用，比如指示燈、顯示屏、交通信號燈等，目前正在探索把它應(yīng)用于照明領(lǐng)域。
         由于我國還未建立LED光度標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重地影響了LED產(chǎn)品質(zhì)量的提高和量值的統(tǒng)一，影響著國際貿(mào)易和國際間LED技術(shù)方面的交流和推廣，因此，雖然近幾年來我國的LED產(chǎn)品質(zhì)量和品種有所提高，但與國外先進國家相比差距較明顯。
         在這種形勢下，我們著手對LED光學(xué)參數(shù)的測量進行了細致的研究，并進行了LED國家光度標(biāo)準(zhǔn)的建立工作。
２、ＬＥＤ光參數(shù)介紹
         LED的光學(xué)參數(shù)中重要的幾個方面就是：光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強度、光強分布、波長。
２.１發(fā)光效率和光通量
         發(fā)光效率就是光通量與電功率之比。發(fā)光效率表征了光源的節(jié)能特性，這是衡量現(xiàn)代光源性能的一個重要指標(biāo)。
２.２發(fā)光強度和光強分布
         LED發(fā)光強度是表征它在某個方向上的發(fā)光強弱，由于LED在不同的空間角度光強相差很多，隨之而來我們研究了LED的光強分布特性。這個參數(shù)實際意義很大，直接影響到LED顯示裝置的最小觀察角度。比如體育場館的LED大型彩色顯示屏，如果選用的LED單管分布范圍很窄，那么面對顯示屏處于較大角度的觀眾將看到失真的圖像。而且交通標(biāo)志燈也要求較大范圍的人能識別。
２.３波長
         對于LED的光譜特性我們主要看它的單色性是否優(yōu)良，而且要注意到紅、黃、藍、綠、白色LED等主要的顏色是否純正。因為在許多場合下，比如交通信號燈對顏色就要求比較嚴(yán)格，不過據(jù)觀察現(xiàn)在我國的一些LED信號燈中綠色發(fā)藍，紅色的為深紅，從這個現(xiàn)象來看我們對LED的光譜特性進行專門研究是非常必要而且很有意義的。
３、ＬＥＤ光度測量原理
３．１光強度的測量方法
         把光強標(biāo)準(zhǔn)燈，LED和配有V（λ）濾光片的硅光電二極管安裝和調(diào)試在光具座上，特別是嚴(yán)格地調(diào)燈絲位置，ＬＥＤ發(fā)光部位及接受面位置。
         先用光強標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)硅光電二極管，Ｃ＝E/S
         式中Ｅｓ＝IS/(d2s)
         ｄｓ是標(biāo)準(zhǔn)燈與接受器之間的距離，Ｉｓ是標(biāo)準(zhǔn)燈的光強度，Ｒｓ是標(biāo)準(zhǔn)燈的響應(yīng)。
         Ｅｓ＝Ｃ•Ｒｔ式中Ｅｔ是被測ＬＥＤ的照度，Ｒｔ是被測ＬＥＤ的響應(yīng)，則ＬＥＤ的光強度Ｉｔ為：Ｉｔ＝Ｅｔ•d2ｔ
         式中ｄｔ是ＬＥＤ與接受面之距離。
         對于ＬＥＤ來講，其發(fā)光面是圓蓋形狀的，光分布是很特殊的，所以在不同的測量距離下，光強值會變化，偏離距離平方反比定律，即使固定了測量距離，但是由于接受器接受面積不同，其光強值也會變化。因此，為了提高測量精度，應(yīng)該把測量距離和接受面積大小相對地給予固定為好。例如，測量距離按照ＣＩＥ推薦采用３１６ｍｍ，接受器面積固定為１０×１０ｍｍ。在同一測量距離下，ＬＥＤ轉(zhuǎn)角不同其光強地有變化，因此為了獲得最佳值，最好讀出最大讀數(shù)Ｒｔ為佳。
３．２光通量的測量方法
         光通量測量在變角光度計的轉(zhuǎn)臺上進行，轉(zhuǎn)臺上安轉(zhuǎn)了ＬＥＤ，該轉(zhuǎn)臺在其水平面上繞著垂直軸旋轉(zhuǎn)±９０度，ＬＥＤ在垂直面上繞著測光軸旋轉(zhuǎn)３６０度。在水平面上和垂直面上的轉(zhuǎn)角的控制是通過步進馬達來實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)臺在導(dǎo)軌上隨意移動，當(dāng)測量標(biāo)準(zhǔn)燈時，轉(zhuǎn)臺應(yīng)離開導(dǎo)軌。
         測量時大轉(zhuǎn)盤在水平面上繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，步進角度為０.９°，正方向９０°，反方向９０°。ＬＥＤ自身也在旋轉(zhuǎn)，在每一個水平角度下，垂直平面上每隔１８°進行一次信號采集，轉(zhuǎn)完３６０°之后共采集到２０個數(shù)據(jù)，按下式計算總光通量。　　　　　

         如果大盤旋轉(zhuǎn)０°～９０°時，小盤轉(zhuǎn)０°～３６０°即可。但是大盤旋轉(zhuǎn)０°～９０°時，有可能ＬＥＤ安裝不均勻（不對稱）而引起誤差，因此最好的解決辦法是大盤轉(zhuǎn)－９０°～０°～９０°，小盤仍然轉(zhuǎn)０°～３６０°，把大盤０°～９０°和－９０°～０°兩個范圍內(nèi)絕對值相等的角度上的照度值取平均值來作為０°～９０°內(nèi)的值。
         ＬＥＤ總光通量測量的第二種方法是積分求法。此方法的優(yōu)點是簡單易行，但測量精度不高。ＬＥＤ的總光通量計算方法如下，先計算離積分球入射窗口（入射窗口面積Ａ）１距離上標(biāo)準(zhǔn)燈（光強值Ｉｓ）進入積分球內(nèi)的光通量Φｓ，Φｓ＝Ｉｓ•Ａ／Ｉ2
         讀出接收器上的光電流信號ｉs，然后把ＬＥＤ置于窗口上，讀出相應(yīng)的接收器光電流信號it，則ＬＥＤ的總光通量Φ為：

         式中Ｋ為色修正系數(shù)。

３．３ ＬＥＤ的光譜功率分布測量方法：
         發(fā)光二極管的光譜功率分布測量，目的是掌握ＬＥＤ的光譜特性和色度，再者是為了對已測得的ＬＥＤ的光度量值進行修正。
         在測量ＬＥＤ光譜功率分布時，應(yīng)注意以下幾點，一個是在與標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度進行比較時由于標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻強度比ＬＥＤ強得多，為了避免這個問題，最好在標(biāo)準(zhǔn)燈前加一個中性濾光片，使它的光譜輻強度接近于ＬＥＤ。
         ＬＥＤ的光譜寬度很窄，為了準(zhǔn)確地描繪ＬＥＤ的光譜分布輪廓，最好采用窄帶波長寬度的單色儀進行測量，波長間隔為１ｎｍ為好。
         按下式計算ＬＥＤ的光譜功率分布Ｅｔ。

         式中ｉ是標(biāo)準(zhǔn)燈在波長ｉ處的響應(yīng)；Ｅ是標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜功率分布；ｉ是ＬＥＤ在波長λ處的響應(yīng)。
ＬＥＤ的色坐標(biāo)計算公式為：

色坐標(biāo)為：
　　　　　?。絏/(X+Y+Z)
　　　　　　ｙ＝X/(X+Y+Z)
也可計算ＬＥＤ的主波長和色純度。
４、結(jié)束語
         目前ＬＥＤ的國家光度標(biāo)準(zhǔn)裝置已建立并標(biāo)定了相當(dāng)數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ管，在此過程中我們積累了大量的經(jīng)驗，此后我們將對各級計量部門和全面ＬＥＤ生產(chǎn)單位進行量值傳遞，統(tǒng)一監(jiān)督。這將對我國ＬＥＤ的質(zhì)量水平的提高起到促進作用，也會為國家高科技領(lǐng)域的研究發(fā)展從一個方面提供保障。