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LED照明與光色測量
閱讀數:15465  最后更新:[2007/12/8 11:19:11]

1、前言

發光二極管(LED)作為新興的發光體,具有電光效率高、體積小、壽命長、電壓低、節能環保等優點,是新一代照明的首選器件。LED的發展受到國內外的普遍關注,新產品、新技術層出不窮。近年來,LED產業發展迅速,光效不斷增加,亮度不斷提高。如今,LED已經在眾多場合得到大量應用,尤其是白光LED技術的不斷進步,使其在照明領域的應用也逐漸普及。LED產業的發展如圖1所示。

2、LED的工作原理

發光二極管(LED)是一種能把電能轉化為光能的固體器件,它的結構主要由PN結芯片、電極和光學等系統組成。LED的基本工作原理是一個電光轉換的過程,當一個正向偏壓施加于PN結兩端,由于PN結勢壘的降低,P區的正電荷將向N區擴散,N區的電子也向P區擴散,同時在兩個區域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產生的少數載流子相對不穩定,對于PN結系統,注入到價帶中的非平衡空穴要與導帶中的電子復合,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,產生的光子能量就越高。能量級差大小不同,產生光的頻率和波長就不同,相應的光的顏色就會不同。LED工作原理如圖2所示。

3、LED的光參數

3.1 光通量

光通量是光源在單位時間內發出的光量,即輻射功率(或輻射通量)能夠被人眼視覺系統所感受到的那部分有效當量。光通量的符號為Φ,單位為流明(Lm)。

根據光譜輻射通量Φ(λ),由下式可確定光通量:
 Φ=Km■Φ(λ)gV(λ)dλ
 式中,V(λ)—相對光譜光視效率;
 Km—輻射的光譜光視效能的最大值,單位為Lm/W。1977年由國際計量委員會確定Km值為683Lm/W(λm=555nm).

3.2 光強度

光源在給定方向上的發光強度I是該光源在該方向的立體角元內傳輸的光通量dΦ除以該立體角元dΩ之商,即:
 I=■
 發光強度的單位是坎德拉(cd),1cd=1Lm/1sr。空間各個方向的光強之和就是光通量。

3.3 光亮度

光源發光表面上某一點處的亮度L,是該面元dS在給定方向上的發光強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)。當發光表面與測量方向垂直時,則cosθ=1。

3.4 光照度

表面上一點的照度E是入射在包含該點面元上的光通量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

LED的光參數還包括:光譜、色品坐標、主波長和色純度、色溫和相關色溫、顯色性和顯色指數等。

4 LED光色測量的必要性

4.1 避免危害

LED與傳統的照明燈不同,它具有點光源、高亮度、窄光束輸出等特點。當LED應用于照明器具時,如果對出光角不加以嚴格的控制就會產生強烈的眩光,某些高亮度LED產品甚至會對人體造成光輻射危害。光色測量可為LED的安全使用提供指導。

4.2 促進LED產業的發展

LED的光色測量能提供大量的實驗數據,可作為判定LED產品合格與否的標準,并可為改進LED的設計、制造提供依據。

5 LED的光色測量方法

5.1 光通量的測量

5.1.1 積分法

測得LED在各個方向的光強,然后對這些光強值進行計算,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,是一個中空的完整球殼。內壁涂白色漫反射層,且球內壁各點漫射均勻。光源在球壁上任意一點上產生的光照度是由多次反射光產生的光照度疊加而成的。由積分學原理可知,球面上任意一點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準燈與被測燈進行比較得到被測燈的光通量,如圖4(a)所示。

但是由于標準燈與被測燈的物理結構以及性質的不同(如吸收),在利用積分球法測試光通量時需要對測試結果進行修正,可采用輔助燈的方法,如圖4(b)所示。

5.1.3 2π立體角光通量的測試

利用積分球法測試LED光通量時還有一種測試結構(如圖5所示),稱為前射光通量的測試或2π立體角光通量。該測試并不是測試LED的總光通量,但人們常常將其與測試LED的總光通量相混淆。

5.2 光強度測量

對于LED光強的測試,CIE-127規定了兩種測試條件,如圖6和表所示。

5.3 光亮度

LED亮度的測試通常應用在測試LED芯片的亮度和評價LED光輻射安全性的過程中。測試一般采用成像法,對于芯片的測試可以采用顯微成像進行測量,如圖7所示。

5.4 光照度測量

嚴格地說,光照度實際上并不能算是LED的光學參數,照度是表示被照射表面受照程度的光學量,而且測試單個LED對某點或某面的照度沒有太大意義,因為一般情況下對實際場合的照明都是由多個LED共同完成的。

5.5 其他參數的測量

其他如色品坐標、主波長和色純度、色溫和相關色溫、顯色性和顯色指數等參數的測試,可以利用相關色度計或者采用光譜儀進行。

6 LED的光輻射安全性測試與評價

近年來,LED的光輻射安全受到越來越多的關注,因此本文也對此作一簡單介紹。

浙江大學三色儀器有限公司在國內首先開展了光輻射安全測試的研究,并與國家電光源檢測中心共同起草了非相干光源的光生物安全性國家標準。目前,浙大三色在LED的光輻射安全測試方面又取得新的進展,為Philips公司進行了照明LED測試工作,研究完成了具有中國自主知識產權的LED輻射安全檢測系統。下面以我們做的測試實例介紹LED光輻射安全性測試與評價的過程。

6.1 被測白光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 實物圖與光譜分布(如圖8所示)

6.2 表觀光源的測試

如圖9所示,我們利用表觀光源測試系統對白光LED進行了測試,這9幅圖是在0°(正對)和90°方向上間隔10°拍攝得到的表觀光源像。理論上我們應該按各個方向進行光安全的測試評價,但是為簡單起見,本文只對0°方向的情況進行測試評價(因為該方向光輸出最強),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 測試條件1

按照IEC-60825要求,首先按測試條件1進行測試。白光LED出孔距光接收口2m,光接收口直徑50mm。

測試結果分析:
 1類AEL計算
 400~600nm的光化學危害:未超過規定AEL
 400~700nm的熱危害:未超過規定AEL
 700~1400nm的AEL:未超過規定AEL

結論:該白光LED在測試條件1下測得的光輻射輸出未超過1類激光產品的AEL規定。

6.4 測試條件2 

白光LED光出射孔距光接收口100m,光接收口直徑為7mm。

測試結果分析:
 (1)1類AEL計算
 400~600nm的光化學危害AEL:超過規定AEL
 結論:該白光LED超過1類激光產品光化學危害AEL規定,不屬于1類產品。
 (2)2類AEL的計算
 400~700nm的AEL:未超過規定AEL
 700~1400nm的AEL:未超過規定AEL
 結論:該白光LED在測試條件2下測試未超過2類激光產品AEL規定。

6.5 輻照度或輻亮度測試條件

上述測試過程中測試條件2和輻照度或輻亮度測試條件的測試結構相同,而1M類AEL參照1類AEL的規定,因此由以上分析可知,該白光LED光輻射輸出超過了1M類的AEL。

6.6 結論

綜合以上分析可知,被測白光LED產品屬于2類LED產品,長時間直視該LED會傷害人眼的視網膜。但是一般情況下,由于人眼有眨眼等自然回避反應,因此不會對人眼造成傷害。

通過以上介紹可知:LED光輻射安全性的測試與評價是一個十分復雜的過程,涉及許多方面的內容。但是LED光輻射安全性的測試與評價已經逐漸成為LED產品測試中必不可少的內容,例如,目前所有銷往歐洲的LED產品都必須按照EN-60825(等同于IEC-60825)標準經過嚴格的檢驗。因此,我們應該加大這一領域的研究投入。

7、LED光色測量與照明評價

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取決于LED的光色測量。

7.1 對現在照明的評價

現行的照明評價主要是根據幾個主要光學基本量:光通量、光亮度、光強度和光照度等,其中前三個基本量主要用于光源的評價,光照度則是對光源光輻射作用面的評價。

這些光學基本量是根據人眼的生物物理特性得到的,也是一個國際照明委員會(CIE)認可的光譜光視效率函數V(λ)與對應的輻射度量加權積分的結果,滿足以下關系:
 光度量(λ)=Km gV(λ)輻射度量(λ)
 式中,Km—683Lm/W.

7.2 存在的問題與不足

人眼的生物物理機理非常復雜,不同情況下對光刺激的響應也不同,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雜,因此上述的光譜光視效率并不能確切地表示照明的實際效果。如圖10所示,同一個光源在明視覺和暗視覺下對人眼造成的刺激值明顯不同。另外,國內現行的照明評價缺乏對光生物安全性的考慮,這可能會對人體造成不同程度的危害。

7.3 解決方法

7.3.1 測試方法與儀器

采用全光譜法測得LED的光譜分布,再利用光譜儀進行分光測試。

7.3.2 評價方法

(1)照明效果

根據不同視覺條件采用不同的光譜光視效率函數加權LED光譜分布數據,得到被測光源光輻射在對應視覺條件下的實際照明效果。例如,暗視覺時采用暗視覺光譜光視效率函數,明視覺時采用明視覺光譜光視效率函數,中間視覺采用中間視覺光譜光視效率函數。

(2)光生物安全性

根據危害種類,采用對應的效果函數加權LED光譜分布數據得到實際危害效果。
 總之,LED照明評價應該符合人體實際的生物物理需求。

8 總結與展望

 (1)LED產業的發展離不開LED的光色測量技術,為了適應LED的照明應用,未來的光色測量技術應該有新的突破。

 (2)LED照明與光色測量應該以人為本,一切以適應人類的實際要求為導向。

 (3)當前任務: ①加強與人體相關的生物學基礎理論的研究,促進學科的交叉合作;②與國際接軌,加快規范性文件的制定與實施,努力并積極地參與CIE、IEC等國際知名組織的活動;③加大科研投入,研發具有自主知識產權的光色測量儀器; ④加強各類測試技術的研究,培養專業的測試人員,加快提高質檢機構的裝備水平和檢測能力。

 

  摘自:[中國LED廣告照明網]

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