LED光學參數的測量技術與LED國家光度標準的研究

１、前言
         近30年來，LED發光二極管的技術已經經歷了飛速發展的過程。LED以其固有的高效率、長壽命、低損耗、耐振動、響應速度快等優點得到了廣泛的應用，比如指示燈、顯示屏、交通信號燈等，目前正在探索把它應用于照明領域。
         由于我國還未建立LED光度標準，嚴重地影響了LED產品質量的提高和量值的統一，影響著國際貿易和國際間LED技術方面的交流和推廣，因此，雖然近幾年來我國的LED產品質量和品種有所提高，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光學參數的測量進行了細致的研究，并進行了LED國家光度標準的建立工作。
２、ＬＥＤ光參數介紹
         LED的光學參數中重要的幾個方面就是：光通量、發光效率、發光強度、光強分布、波長。
２.１發光效率和光通量
         發光效率就是光通量與電功率之比。發光效率表征了光源的節能特性，這是衡量現代光源性能的一個重要指標。
２.２發光強度和光強分布
         LED發光強度是表征它在某個方向上的發光強弱，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格，不過據觀察現在我國的一些LED信號燈中綠色發藍，紅色的為深紅，從這個現象來看我們對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
         把光強標準燈，LED和配有V（λ）濾光片的硅光電二極管安裝和調試在光具座上，特別是嚴格地調燈絲位置，ＬＥＤ發光部位及接受面位置。
         先用光強標準燈校準硅光電二極管，Ｃ＝E/S
         式中Ｅｓ＝IS/(d2s)
         ｄｓ是標準燈與接受器之間的距離，Ｉｓ是標準燈的光強度，Ｒｓ是標準燈的響應。
         Ｅｓ＝Ｃ•Ｒｔ式中Ｅｔ是被測ＬＥＤ的照度，Ｒｔ是被測ＬＥＤ的響應，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臺上進行，轉臺上安轉了ＬＥＤ，該轉臺在其水平面上繞著垂直軸旋轉±９０度，ＬＥＤ在垂直面上繞著測光軸旋轉３６０度。在水平面上和垂直面上的轉角的控制是通過步進馬達來實現的。轉臺在導軌上隨意移動，當測量標準燈時，轉臺應離開導軌。
         測量時大轉盤在水平面上繞垂直軸旋轉，步進角度為０.９°，正方向９０°，反方向９０°。ＬＥＤ自身也在旋轉，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，轉完３６０°之后共采集到２０個數據，按下式計算總光通量。　　　　　

         如果大盤旋轉０°～９０°時，小盤轉０°～３６０°即可。但是大盤旋轉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－９０°～０°～９０°，小盤仍然轉０°～３６０°，把大盤０°～９０°和－９０°～０°兩個范圍內絕對值相等的角度上的照度值取平均值來作為０°～９０°內的值。
         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距離上標準燈（光強值Ｉｓ）進入積分球內的光通量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。

３．３ ＬＥＤ的光譜功率分布測量方法：
         發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，應注意以下幾點，一個是在與標準光譜輻照度進行比較時由于標準燈的光譜輻強度比ＬＥＤ強得多，為了避免這個問題，最好在標準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是標準燈在波長ｉ處的響應；Ｅ是標準燈的光譜功率分布；ｉ是ＬＥＤ在波長λ處的響應。
ＬＥＤ的色坐標計算公式為：

色坐標為：
　　　　　　ｘ＝X/(X+Y+Z)
　　　　　　ｙ＝X/(X+Y+Z)
也可計算ＬＥＤ的主波長和色純度。
４、結束語
         目前ＬＥＤ的國家光度標準裝置已建立并標定了相當數量的標準ＬＥＤ管，在此過程中我們積累了大量的經驗，此后我們將對各級計量部門和全面ＬＥＤ生產單位進行量值傳遞，統一監督。這將對我國ＬＥＤ的質量水平的提高起到促進作用，也會為國家高科技領域的研究發展從一個方面提供保障。