LED檢測方法探討

鄭琳琳，劉君榮

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

LED產(chǎn)品及其應(yīng)用正在快速地發(fā)展，它們在很多領(lǐng)域逐漸地代替了曾經(jīng)占統(tǒng)治地位的傳統(tǒng)光源，如白熾燈、高壓鈉燈和高壓汞燈等[1]。在LED的應(yīng)用中，需要對其進(jìn)行光度、色度及電參數(shù)的測試分析。LED具有獨(dú)特的發(fā)光特性，單個LED芯片幾乎是理想的光源：它們的發(fā)光點(diǎn)很小，接近于點(diǎn)光源，發(fā)光的一致性很好，發(fā)光立體角很小，而且大多數(shù)LED芯片幾乎都是單色的[2]。這意味著單顆LED芯片是很好測量的。然而，封裝好的LED和很多LED芯片組成的陣列式器件的發(fā)光性能與單顆LED芯片有很大的不同，這些器件不再類似于點(diǎn)光源，發(fā)光不一致，發(fā)光的角度也很小。所以封裝好的發(fā)光二極管的測量條件必須是標(biāo)準(zhǔn)化的，才能得到一致的測量結(jié)果[3]。

1 LED的檢測參數(shù)

一般來說，我們用發(fā)光強(qiáng)度、光通量、輻射強(qiáng)度、輻射通量、峰值波長與主波長、峰度、色坐標(biāo)和發(fā)光效率等光學(xué)參量來評價LED。然而，隨著LED對傳統(tǒng)光源和顯示行業(yè)的競爭，一些其他的測量要求也隨之增加了，例如：照度和亮度。測量中通常會用到光譜輻射計、光度計和輻射計等儀器。

上述測量參數(shù)可大致分為3類：

a）光度學(xué)參數(shù)——用光度計或光譜輻射度計測量

包括：總光通量 （單位：lm），光強(qiáng)度 （單位：cd）， 照度 （單位：lux）， 亮度 （單位：cd/m2）， 色坐標(biāo)，色溫等。

b）輻射度參數(shù)——用輻射度計或光譜輻射度計測量

包括：總輻射通量 （單位：W），輻射強(qiáng)度（單位：W/Sr）， 輻照度 （單位：W/m2）， 輻射亮度（單位： W/（Sr·nm））。

c）光譜輻射度參數(shù)——用光譜輻射計測量

包括：總光譜通量 （單位：W/nm），光譜輻射強(qiáng)度 （單位： W/（nm·Sr）），光譜輻照度 （單位：W/（m2·nm））， 輻射亮度 （單位： W/（ Sr·m2·nm）），波長 （單位：nm），顯色指數(shù)。

2 LED的光學(xué)性質(zhì)

普通照明LED，俗稱 “白光”LED。目前實現(xiàn)白光LED主要有兩條途徑：1）用LED發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)熒光粉，再與熒光粉發(fā)出的 “黃光”進(jìn)行混光，最終得到白光；2）用紅、綠、藍(lán)3種不同的LED進(jìn)行混光，得到白光。LED不僅僅只是芯片部分，它們封裝在一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中使其達(dá)到最大的發(fā)光效率。LED的封裝面一般是錐形的，其典型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 封裝好的LED光輻射結(jié)構(gòu)圖

無論是單個封裝好的LED還是由多個LED組成的陣列式光源，它都不是物理學(xué)上最容易理解和描述的點(diǎn)光源或朗伯光源，它是由多個等效點(diǎn)光源所組成的分散的點(diǎn)光源 （象、虛象和實象均存在，一般多數(shù)為虛象）的集合[4]。LED光源所對應(yīng)的特定的點(diǎn)光源集合有著共同的特征：1）在近場的不同距離下，其光強(qiáng)分布是不相同的；2）在某一特定的角度上 （如法向），其近場發(fā)光強(qiáng)度不是恒定的，因而，照度隨距離平方成反比定律不成立；3）由于LED芯片與封裝透鏡的位置敏感性和LED芯片的不對稱性，LED光源在不同的平面上有不同的光強(qiáng)分布曲線；4）目前已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的“白光”LED，其光譜混合是不均勻的，其顏色分布像光強(qiáng)分布曲線一樣，是隨距離和角度的不同而發(fā)生變化的。

3 發(fā)光強(qiáng)度的測量

一般來說，一個點(diǎn)光源發(fā)出的光是各向同性的，這樣我們就可以通過測量任意給定方向單位立體角dΩ（Sr）的光通量來確定它的發(fā)光強(qiáng)度。LED尺寸小，光強(qiáng)弱，我們必須把探頭放在距離LED很近的地方測量，加之它獨(dú)特的發(fā)光特性，LED的光強(qiáng)會隨著距離、角度和立體角的尺寸而改變，用常規(guī)的方法去測量LED的光強(qiáng)會有很大的誤差。因此，國際照明委員會 （CIE）明確地提出了測量LED光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，在這個標(biāo)準(zhǔn)中明確地規(guī)定了LED相對于參考光軸放置的位置，探頭的尺寸、測量距離和立體角[5]。圖2給出了AB兩種條件下的具體設(shè)置。兩種條件都是以LED前端面為測量參考點(diǎn)，參考光軸沿著LED發(fā)光方向，探頭的接收部分尺寸都是1 cm2。不同的地方是A條件的測量距離是316 mm，立體角是0.001 Sr，而A條件的測量距離是100 mm，立體角是0.01 Sr。

圖2 CIE 127中規(guī)定的測量LED發(fā)光強(qiáng)度的兩種條件

如果一個光源發(fā)光強(qiáng)度隨角度和距離變化，那么對這個光源光強(qiáng)的任何測量值其實是所選測量條件下的測量平均值。因此，把在上述兩種條件下的光強(qiáng)測量值稱為LED的平均發(fā)光強(qiáng)度。目前，平均發(fā)光強(qiáng)度已被大多數(shù)實驗室采納，按照圖2中的測量條件也得到了較為一致的結(jié)果。若按照圖3的示意圖，我們就可以得到LED的光強(qiáng)角度空間分布。

圖3 測角光度計中定義的空間角度

4 總光通量的測量

上面討論了LED發(fā)光強(qiáng)度的測量，如果把所有可能角度的光強(qiáng)測量結(jié)果進(jìn)行積分，那我們就可以得到一個LED輻射的總光通量。測量總光通量的方法有兩種，一種是用分布光度計測量，另一種就是我們最常用的積分球，這里我們主要討論后者。測量時，LED放置在積分球中心，探頭安裝在積分球壁上。圖4給出了一種典型的總光通量積分球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4 典型的總光通量積分球內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這里假設(shè)把積分球表面的一部分去掉，以便能看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們可以看到LED在積分球中心，探頭在積分球表面，這兩者之間還有一個擋屏，用來阻擋直接射向探頭的光，積分球和擋屏都涂上了高反射率的涂層。表面上看來，積分球的內(nèi)壁除了被擋屏遮住的地方照不到光，其他地方都能被照射到。實際上，擋屏不止影響到光如何照射積分球壁，同時也影響了探頭如何接收到積分球內(nèi)壁的反射光。圖5給出了擋屏所產(chǎn)生的陰影區(qū)。LED發(fā)出的光在第一次照射到積分球內(nèi)壁時，并不是所有的反射光都被探頭先接收到。一部分光在探頭感應(yīng)到之前先經(jīng)過二次反射到了積分球的某些區(qū)域。積分球的涂層并不是100%反射光的，這些光經(jīng)過二次反射到達(dá)的積分球內(nèi)壁區(qū)域會出現(xiàn)比那些一次反射的地方較低的響應(yīng)。理想的響應(yīng)是探頭在任何方向?qū)獾母袘?yīng)都是一致的。由于擋屏必須存在于積分球內(nèi)，這樣就一定會產(chǎn)生非理想響應(yīng)，因此，實際中并不存在測量總光通量的理想積分球。

在圖5中可以很清楚地看到擋屏在積分球里面形成的陰影，正是這些陰影區(qū)導(dǎo)致探頭對積分球內(nèi)壁這些區(qū)域的響應(yīng)降低。隨著積分球尺寸的增大，這種響應(yīng)降低的效應(yīng)會跟著減小，因此對同一個LED，直徑2 m的積分球比0.5 m的積分球的測量結(jié)果要好。然而，積分球的尺寸對陰影區(qū)產(chǎn)生的響應(yīng)率變化的影響是很微弱的，主要的影響因素在于積分球涂層的反射率。涂層反射率在98%或以上的積分球是最常用的，測出的結(jié)果比反射率95%的積分球要理想。而那些用于測量普通光源總光通量的積分球反射率大約在80%左右，如果用這些積分球測LED的總光通量就會出現(xiàn)很大的誤差。

圖5 擋板在積分球內(nèi)部產(chǎn)生的陰影區(qū)和部分陰影區(qū)

仔細(xì)觀察圖5就會發(fā)現(xiàn)右側(cè)部分的響應(yīng)會比理論上的響應(yīng)值略微偏高，這是因為有部分反射光反射到對著探頭一面的擋屏上，再經(jīng)過擋屏直接反射到探頭上使得探頭在這邊的響應(yīng)變大。這種現(xiàn)象在所有的積分球中都會出現(xiàn)，但是影響有多大主要取決于擋屏的設(shè)計。

LED發(fā)光立體角通常很小，最好就是把它們定向，使發(fā)出的光朝向積分球內(nèi)響應(yīng)比較均一的區(qū)域而不是陰影區(qū)。陰影區(qū)隨著積分球尺寸的增加而減小，隨著擋屏尺寸的減小而減小，因此應(yīng)該選用尺寸盡量大而擋屏面積盡量小的積分球。這點(diǎn)在積分球涂層反射率較低時顯得更為重要。

如果積分球里有某些吸光的物體，就會使積分球測出的總光通量降低。這樣等于降低了積分球涂層的反射率，對積分球的測量結(jié)果會有明顯的影響。但是包括LED本身，其夾具、底座，以及測試線纜等都會吸收LED發(fā)出的光。一般來說，校準(zhǔn)燈和被測燈不可能完全一致，它們在積分球內(nèi)產(chǎn)生的吸收也不一樣，為了準(zhǔn)確地測量LED，我們除了測量它們各自的光通量，還必須測量標(biāo)準(zhǔn)燈和被測燈不一致引起的光通量的變化量。固定地安裝在積分球內(nèi)的輔助燈就是用來修正測量積分球、標(biāo)準(zhǔn)燈、被測LED、夾具和底座，以及線纜產(chǎn)生的吸收所引起的誤差。如果標(biāo)準(zhǔn)燈和輔助燈都是與被測LED光譜分布相同的LED，我們用光度計或光譜輻射度計就會測到最精確的結(jié)果。

5 光譜測量

LED的峰值波長有很多，其范圍覆蓋可見光，以及與可見光鄰近的紫外和紅外光。它們的光譜與傳統(tǒng)白熾光源有很大的不同，LED的光譜帶寬比較窄，通常只有20～40 nm，所用的光度或輻射度儀器的探頭必須在LED發(fā)光的波段有很好的響應(yīng)，而不只是對很寬的波長范圍內(nèi)進(jìn)行平均測量。用傳統(tǒng)白熾燈 （A光源）校準(zhǔn)的光度計或輻射度計，是對相對很寬范圍內(nèi)的光譜進(jìn)行的整體校準(zhǔn)，這些儀器在整個波段進(jìn)行平均測量的準(zhǔn)確度即使很高，測量LED時會有很大的偏差。這個偏差在測量紅色LED和藍(lán)色LED時，大概有20%左右。解決的方法有兩種，一種是給光度計或輻射度計加色修正因子，另一種就是用標(biāo)準(zhǔn)的LED管去校準(zhǔn)所使用的光度計。

6 環(huán)境條件

LED是一種所謂的冷光源，它們不需要加熱就能發(fā)光，但這并不是說LED發(fā)光不會受到其他介質(zhì)發(fā)熱的影響。LED通常都是固體器件，在LED器件上加上電壓，就能使電子和空穴通過材料內(nèi)部流向相反方向，當(dāng)電子和空穴復(fù)合時形成激發(fā)態(tài)，就會看到LED器件發(fā)光，發(fā)光的波長取決于材料的性質(zhì)。為了使LED發(fā)光穩(wěn)定，加在器件外部的電流就必須進(jìn)行限制，因此，LED通常使用直流電源在恒定電流下供電。LED典型的電流值大約是10～20 mA，有的高功率LED，供電電流要達(dá)到 200～300 mA。

另外一個影響LED發(fā)光性能的因素就是溫度。LED通常是使用熱傳導(dǎo)性很差的材料封裝的，唯一會使LED升溫的就是銅導(dǎo)線，尤其是大功率的LED管，必須要對LED的夾具和電導(dǎo)線進(jìn)行冷卻，否則會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)很大的偏差。

控制好以上這兩個測量因素是非常重要的，否則對同一器件重復(fù)性測量會得到差異很大的結(jié)果。因此一定要確保在恒溫恒電流的條件下才能得到可重復(fù)性的結(jié)果。

7 結(jié)束語

LED由于其獨(dú)特的發(fā)光性能，在檢測時不能完全按照傳統(tǒng)光源檢測方法。首先，傳統(tǒng)的光源檢測中發(fā)光強(qiáng)度的定義不適用于LED的檢測，按照國際照明委員會 （CIE）的規(guī)定，只有在規(guī)定好的方向、距離和發(fā)光立體角，以及探測器接收面積等條件下才能得到一致可重復(fù)的測量結(jié)果；其次，文章中討論了積分球測量LED光通量的影響因素，如擋屏的設(shè)計必須要合理，大積分球比小積分球相對測得更準(zhǔn)確一些，積分球內(nèi)壁涂層材料反射率越高帶來的誤差越小，使用輔助燈能更準(zhǔn)確地修正積分球內(nèi)部光吸收的問題，測量，以及光譜測量等；再次，文中討論了用傳統(tǒng)光源校準(zhǔn)的探測器檢測LED發(fā)光光譜時也會出現(xiàn)較大的誤差，尤其是紅色和藍(lán)色LED的誤差較大；最后，文章討論了環(huán)境條件對LED檢測的影響，必須在保持溫度和供電電流恒定的條件下去測量LED能得到可重復(fù)的結(jié)果。由此也可看出，對溫度和電流的控制也是準(zhǔn)確地測量LED的關(guān)鍵。

[1]金維平.LED照明的檢測問題和平臺構(gòu)建探討 [J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（13）：137-138.

[2]俞安琪.LED照明產(chǎn)品檢測方法中的缺陷和改善對策[J].照明工程學(xué)報，2010，21（4）：31-33.

[3]林衛(wèi)國.LED光譜電性參數(shù)測試技術(shù)的研究與開發(fā) [D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[4]林繼鋼.LED檢測中的問題 [J].上海計量測試，2008， 35 （5）： 66-67.

[5]CIE 127-2007，Measurement of LEDs[S].