LED光源的光学特性检测

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 1.概述

led作为新型光电发光器件,由于它的低碳环保体积小重量轻成本低寿命长的优势,正越来越受到人们的追捧,发展势头异常迅猛,是光电专家所始料不及的。LED不但广泛应用作于各种照明光源,指示标记灯,而且还大批量用于LCD的背光源,大有取代传统的荧光灯管而成为LCD电视的新宠。此外,LED还可以作为许多测量仪器的光源。

完全意义上的LED电视发展也很快,虽然它现在大多用于户外,由于他的高亮度和逼真的色彩以及动态效果极佳,走进千家万户也只是时间问题。因此,让我们全面认识LED这个新型小伙伴,就显得十分紧迫。
自1976年第一个红光LED问世以来,经过30年的发展,LED已形成各种光谱系列产品,单个LED的功率也从最初的零点零几瓦发展至几瓦乃至数十瓦。2001年白光LED研制成功,人们期待LED最终能进入照明领域,甚至进入家庭照明。最新白光LED的研究成果更是激动人心。

小功率LED的发光效率已达100lm/W。特别是RGB-LED的研究结果表明,LED也与常规三基色荧光灯一样,可以获得各种不同的色温和均匀的照明环境。

LED光源的进展和人们对它在照明领域中应用的期待,也对相应的光学检测技术有了新的要求。由于LED的光学特性与传统光源有较大差别,需要研究开发适应这种新型光源的测量方法。

2.LED光源

LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理,而采用电场发光。据分析,LED的特点非常明显,寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80~90%。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比,结果显示:普通白炽灯的光效为12lm/W,寿命小于2000小时,螺旋节能灯的光效为60lm/W,寿命小于8000小时,T5荧光灯则为96lm/W,寿命大约为10000小时,而直径为5毫米的白光LED为20~28lm/W,寿命可大于100000小时。有人还预测,未来的LED寿命上限将无穷大。
大功率,指发光工率大,一般指0.5W,1W 3W 5W或更高的。光强与流明是比小功率大,但同样散热也很大,现在大功率都是单颗应用,加很大的散热片。小功率一般是0.06W左右的。插件和食人鱼等。现在LED手电一般是用小功率用的,光散不散,取决于LED的发光角度,有大角度小角度之分,小角度不散,大角度才散。

LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的,LED的角度越小它的亮度越高。 如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有几百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了,亮度相差好几十倍了,如果是用于照明用的,在户外最好是用大功率的LED了,亮度就更高了,单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百都有。

LED的发光原理

LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。

而光的波长决定光的颜色,是由形成P-N结材料决定的。

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。

假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。

3.LED的分类

(1)按发光管发光颜色分

按发光管发光颜色分,可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。

(2)按发光管出光面特征分

按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1;把φ5mm的记作T-1(3/4);把φ4.4mm的记作T-1(1/4)。

由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

从发光强度角分布图来分有三类:

A.高指向性。一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。
B.标准型。通常作指示灯用,其半值角为20°~45°。
C.散射型。这是视角较大的指示灯,半值角为45°~90°或更大,散射剂的量较大。

(3)按发光二极管的结构分

按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

(4)按发光强度和工作电流分

按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd);把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。

4.LED光学特性研究

国际照明委员会(CIE)技术委员会关于LED的技术特性的研究分为两个分部。即:视觉和颜色分部(D1)和光和辐射测量分部(D2)。白光LED的显色性和相关的计量问题正在研究,并已转发D1∶TC1-65,TC1-62这两个研究色表的目视测量和LED的显色性的文件草案。

TC1-62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》可能部分替代CIE 13.3-1995出版物。这两个文件已进入投票阶段。

CIE 13.3-1995出版物中规定了CRI的计算方法,如果白光LED对CRI进行计算的结果与目视结果有矛盾,文件确定存在这一矛盾。技术报告的结论是:应用包括白光LED在内的显色性计算时,CIE CRI并不适用。技术委员会建议D1建立一组新的显色指数,这些显色指数不立即替代目前的CIE显色指数计算方法。新的显色指数作为CIE CRI的补充,在成功地应用组合新的显色指数后才能确定替代目前CRI的计算方法。D2成立专门的技术委员会TC 2-45研究LED的测量方法:TC 2-45文件《Mea-surement ofLEDS》正在投票中,它将会替代CIE 127出版物。中国照明网技术论文·电光源

5.LED发光效率极限值

长期以来,半导体研究专家探索各种新技术以提高LED的内、外量子效率,2006年已有小功率白光LED发光效率达100lm/W的报导。为确定合理的LED发光效率期待值,需要从光度学、色度学的基础上计算LED发光效率极限值。

1979年10月,第十届国际计量大会(CGPM)定义了新坎德拉(cd)。坎德拉(cd)为发出单色辐射频率540.0154×1012Hz(波长555nm)的光源在给定方向上的发光强度,在该方向上的辐射强度为:
1cd=(1/683)W/sr(波长555nm);1cd=1lm/sr;1W=683lm(波长555nm)。

如果忽略供电损耗、内量子效率、外量子效率数值,可以计算出各种光源和LED的发光效率极限值。
人眼光谱光效率与理想等能白光的光谱功率分布不尽相同。由于人眼的光谱响应特性,理想等能白光经加权计算后,可以得到在可见光谱范围内的理想等能白光极限发光效率为182.45lm/W。

在照明领域中,一种新型光源的诞生,其寿命、光效是重要的质量指标,但它对各种颜色的显色特性是照明光环境的另一重要质量指标。低压钠灯的2条黄色光谱线的理论发光效率可达450lm/W,实际光效超过200lm/W。但由于它的显色特性差,最终被高压钠灯、金卤灯所替代。

考察LED这一新型光源,在牺牲一些显色性指数Ra的条件下与理想等能白光比较,白光LED的极限发光效率还会高一些,大约在200lm上下。对于一个实际应用于照明领域中的白光LED,发光效率的目标值设定在150~160lm/W是合理的。

除了照明应用的白光LED外,各种光谱的LED的发光效率也可根据数据进行估算。红(643nm)、绿(535nm)、蓝(460nm)的LED作为三基色,其极限发光效率值也可根据数据进行估算。

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