CIE与IEC的LED参数测量标准

●恒电流和一个温度稳定的电压将导致LED 有一个稳定的电功率消耗。不过须注意,不控制温度上升的电功率稳定将会导致一个非常不同的LED 运行条件。辐射的相对功率分布将影响如下两个方面:一是它将轻微地改变光强分布的形状;二是当温度上升时,整个分布将显著地朝长波方向移动(但蓝光LED一般是向短波长方向移动) 。

3.1.3 　温度对辐射的影响

●表面看起来,不变的电流电压似乎能提供LED 一个恒定的电功率。然而,如果不控制温度则不可能得到稳定的光功率输出。原因是:LED 的相对功率分布一方面会随温度而发生轻微的改变,另一方面当温度上升时,整个分布将朝长波方向漂移(对蓝光LED 则向短波方向漂移) 。

　　
●只要温度存在着变化,则LED 发出的辐射通量也总处于变化状态中,即效率(efficiency) 在变化。对绿色单色管而言,因它处于∨(λ) 曲线的峰值附近,故而变化小一些。对红光和蓝光单色管而言,因处于∨(λ) 曲线的尾部,则变化要大一些。

　　
●管芯温度升高的速率依赖于输入的电功率和LED 封装产品的热容。在热平衡以后管芯的温度主要取决于管芯通过引脚向环境的散热。因此,LED 结构的热学性能、引线长度和热沉三者决定了管芯温度。

　　
●在高的环境温度下,当电流固定时,正向电压会下降。而对此进行调整以稳定LED 的电功率消耗会影响芯片的温度,从而影响LED 的端电压。因此,电功率的稳定不能作为一种改进LED 光功率输出的手段。

　　
3.2 　误差的产生原因

因为LED 的机械轴和光轴很少会重合, 加上LED 发光的面积、形状、尺寸和结构总存在差别,故很难确定LED 的发光中心,从而导致角度和位置两方面对准的困难,增加了测量的不确定度。

　　
3.3 　光电探测器的性质

　　CIE 推荐使用“硅光电二极管”,选用标准主要有两个:一是面响应均匀性,即灵敏面上各点输出的测试信号均相同;二是响应与被测光的入射角无关。

3.4 　LED 的发光强度测量

●LED 不是点光源,距离平方反比定律不适用。

●因为LED 没有真正意义上的发光强度,折衷之下提出“平均发光强度”的说法。

●规定远场(条件A) 为316mm ,对应的立体角为0.001Sr 。相应的平面角为2°。规定近场(条件B) 为100mm ,对应的立体角为0.01Sr。相应的平面角为615°。两者之间可用10 倍关系相互联系。

3.5 　光通量的测量

●变角光度计法:以LED 的顶部为假想球心,光电探测器与LED 的距离为假想球半径,然后把此假想球面分成N 个部分,假设每一部分的照度相同,则积分或累加后很容易得到总光通量。这是最准确的绝对测量方法,缺点是测量时间长。

　　
●积分球法:这是一个相对测量仪器,故必须事前对其定标。为了消除LED 自吸收的误差,CIE 建议用一个辅助LED 插入积分球内同时测量。
3.6 　光谱量的测量

　　
●与别的标准不同,CIE 增加了“中心波长”的概念:即波形半宽度的中间点所对应的波长。这样就解决了许多单色管的配光曲线在法向方向凹进去的波长描述的困惑。其它如主波长、峰值波长和质心波长各种标准中均有提及,此略。

　　
●对质心波长要特别注意:由它的定义和公式可知,它强烈地受制于LED 光谱分布的形状。即使光谱形状有非常小的改变(尤其在紫外和红外处) ,均可显著地改变质心波长的位置。

4 　对CIE 和IEC 提出的一些建议

4.1 　关于硅光电二极管灵敏面的面积

CIE 规定:灵敏面的面积为100mm2 (相应的直径为Φ1.13mm) ,且灵敏面必须是圆形。国产硅光电二极管由于质量原因目前不宜使用,那么国外产品呢?日本滨松HamamatsuS1337 无窗系列的硅光电二极管的灵敏面尺寸为10 ×10 (mm2 ) ,并且美国UDT公司和EGG公司所制的硅光电二极管也大致为上述尺寸。若选用10mm 作为光电探测器灵敏面的直径,则相应的灵敏面面积仅为7815mm2 , 比CIE 的规定要小2.15mm2 ,面积减小20 %以上,造成量值的混乱。若用S6337 无窗系列, 它的灵敏面面积为18 ×18(mm2 ) ,取1.13mm 作直径太浪费。而且S1337 的价格1 000 元/ 只,而S6337 的价格为4 500 元/ 只。故此强烈建议CIE 把光电探测器灵敏面的直径改为10mm。

4.2 　关于光电探测器的光谱灵敏度和∨(λ) 滤光器的匹配精度

两者的匹配结果应符合CIE1924 年颁布的明视觉函数曲线,其偏差一般用f1 表示。CIE 要求f1 1.5 % ,这样太苛求了。因为目前世界上∨(λ) 滤光器做得最好的是德国,f1 为1.5 %。目前, ∨(λ) 滤光器国内的水平受制于材料(有色中性玻璃) 和工艺条件,只能做到4 %～5 %。根据国情, 我们认为f1 定为2.2 %比较适合。

4.3 　关于单色管发光强度光谱分布的带宽

在测量LED 的辐射强度时,带宽是一个重要的因子,而相应波形下的面积即是单色管的总光通量。但提及光谱分布必须涉及到单色仪。实质上单色仪是波长可变的滤波器。根据滤波理论,输出信号是输入信号和仪器本身传递函数的卷积,只有去除了这个卷积,才能得到正确的波形。所以单色LED 通过单色仪时,带宽必然增加,俗称“仪器加宽”。这个现象只有用狭缝函数[7 ] 才能正确处理。至于光栅加线阵CCD 的LED 色度仪,其仪器加宽效应更加明显,在此不予讨论。此外,建议CIE 规定单色仪入P出射狭缝的宽度,因为波形的带宽与此也密切相关。
　
4.4 　色温修正
　　
考虑到发光强度的国家基准和总光通量的国家副基准大多数为2 856K的A 光源作为标准灯,而LED的色温目前普遍在4 000～7 000K之间,所以必须进行色温修正,修正量一般为3 %左右。色温修正的前提是必须知道所用光电探测器的光谱响应曲线。

5 　结束语
　
由于标准的制定远远跟不上LED 产业发展的步伐,导致国内外的测量标准(草稿) 满足不了产业界的要求。限于水平,虽然有不少谬误之处,笔者仍希望此文有助于正式标准的制定。