LED光學(xué)參數(shù)的測(cè)量技術(shù)與LED國(guó)家光度標(biāo)準(zhǔn)的研究

１、前言
         近30年來(lái)，LED發(fā)光二極管的技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了飛速發(fā)展的過(guò)程。LED以其固有的高效率、長(zhǎng)壽命、低損耗、耐振動(dòng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，比如指示燈、顯示屏、交通信號(hào)燈等，目前正在探索把它應(yīng)用于照明領(lǐng)域。
         由于我國(guó)還未建立LED光度標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重地影響了LED產(chǎn)品質(zhì)量的提高和量值的統(tǒng)一，影響著國(guó)際貿(mào)易和國(guó)際間LED技術(shù)方面的交流和推廣，因此，雖然近幾年來(lái)我國(guó)的LED產(chǎn)品質(zhì)量和品種有所提高，但與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比差距較明顯。
         在這種形勢(shì)下，我們著手對(duì)LED光學(xué)參數(shù)的測(cè)量進(jìn)行了細(xì)致的研究，并進(jìn)行了LED國(guó)家光度標(biāo)準(zhǔn)的建立工作。
２、ＬＥＤ光參數(shù)介紹
         LED的光學(xué)參數(shù)中重要的幾個(gè)方面就是：光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、光強(qiáng)分布、波長(zhǎng)。
２.１發(fā)光效率和光通量
         發(fā)光效率就是光通量與電功率之比。發(fā)光效率表征了光源的節(jié)能特性，這是衡量現(xiàn)代光源性能的一個(gè)重要指標(biāo)。
２.２發(fā)光強(qiáng)度和光強(qiáng)分布
         LED發(fā)光強(qiáng)度是表征它在某個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)弱，由于LED在不同的空間角度光強(qiáng)相差很多，隨之而來(lái)我們研究了LED的光強(qiáng)分布特性。這個(gè)參數(shù)實(shí)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(chǎng)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(duì)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(biāo)志燈也要求較大范圍的人能識(shí)別。
２.３波長(zhǎng)
         對(duì)于LED的光譜特性我們主要看它的單色性是否優(yōu)良，而且要注意到紅、黃、藍(lán)、綠、白色LED等主要的顏色是否純正。因?yàn)樵谠S多場(chǎng)合下，比如交通信號(hào)燈對(duì)顏色就要求比較嚴(yán)格，不過(guò)據(jù)觀察現(xiàn)在我國(guó)的一些LED信號(hào)燈中綠色發(fā)藍(lán)，紅色的為深紅，從這個(gè)現(xiàn)象來(lái)看我們對(duì)LED的光譜特性進(jìn)行專門研究是非常必要而且很有意義的。
３、ＬＥＤ光度測(cè)量原理
３．１光強(qiáng)度的測(cè)量方法
         把光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈，LED和配有V（λ）濾光片的硅光電二極管安裝和調(diào)試在光具座上，特別是嚴(yán)格地調(diào)燈絲位置，ＬＥＤ發(fā)光部位及接受面位置。
         先用光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)硅光電二極管，Ｃ＝E/S
         式中Ｅｓ＝IS/(d2s)
         ｄｓ是標(biāo)準(zhǔn)燈與接受器之間的距離，Ｉｓ是標(biāo)準(zhǔn)燈的光強(qiáng)度，Ｒｓ是標(biāo)準(zhǔn)燈的響應(yīng)。
         Ｅｓ＝Ｃ•Ｒｔ式中Ｅｔ是被測(cè)ＬＥＤ的照度，Ｒｔ是被測(cè)ＬＥＤ的響應(yīng)，則ＬＥＤ的光強(qiáng)度Ｉｔ為：Ｉｔ＝Ｅｔ•d2ｔ
         式中ｄｔ是ＬＥＤ與接受面之距離。
         對(duì)于ＬＥＤ來(lái)講，其發(fā)光面是圓蓋形狀的，光分布是很特殊的，所以在不同的測(cè)量距離下，光強(qiáng)值會(huì)變化，偏離距離平方反比定律，即使固定了測(cè)量距離，但是由于接受器接受面積不同，其光強(qiáng)值也會(huì)變化。因此，為了提高測(cè)量精度，應(yīng)該把測(cè)量距離和接受面積大小相對(duì)地給予固定為好。例如，測(cè)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(cè)量距離下，ＬＥＤ轉(zhuǎn)角不同其光強(qiáng)地有變化，因此為了獲得最佳值，最好讀出最大讀數(shù)Ｒｔ為佳。
３．２光通量的測(cè)量方法
         光通量測(cè)量在變角光度計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行，轉(zhuǎn)臺(tái)上安轉(zhuǎn)了ＬＥＤ，該轉(zhuǎn)臺(tái)在其水平面上繞著垂直軸旋轉(zhuǎn)±９０度，ＬＥＤ在垂直面上繞著測(cè)光軸旋轉(zhuǎn)３６０度。在水平面上和垂直面上的轉(zhuǎn)角的控制是通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)臺(tái)在導(dǎo)軌上隨意移動(dòng)，當(dāng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)燈時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)離開(kāi)導(dǎo)軌。
         測(cè)量時(shí)大轉(zhuǎn)盤在水平面上繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)角度為０.９°，正方向９０°，反方向９０°。ＬＥＤ自身也在旋轉(zhuǎn)，在每一個(gè)水平角度下，垂直平面上每隔１８°進(jìn)行一次信號(hào)采集，轉(zhuǎn)完３６０°之后共采集到２０個(gè)數(shù)據(jù)，按下式計(jì)算總光通量。　　　　　

         如果大盤旋轉(zhuǎn)０°～９０°時(shí)，小盤轉(zhuǎn)０°～３６０°即可。但是大盤旋轉(zhuǎn)０°～９０°時(shí)，有可能ＬＥＤ安裝不均勻（不對(duì)稱）而引起誤差，因此最好的解決辦法是大盤轉(zhuǎn)－９０°～０°～９０°，小盤仍然轉(zhuǎn)０°～３６０°，把大盤０°～９０°和－９０°～０°兩個(gè)范圍內(nèi)絕對(duì)值相等的角度上的照度值取平均值來(lái)作為０°～９０°內(nèi)的值。
         ＬＥＤ總光通量測(cè)量的第二種方法是積分求法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但測(cè)量精度不高。ＬＥＤ的總光通量計(jì)算方法如下，先計(jì)算離積分球入射窗口（入射窗口面積Ａ）１距離上標(biāo)準(zhǔn)燈（光強(qiáng)值Ｉｓ）進(jìn)入積分球內(nèi)的光通量Φｓ，Φｓ＝Ｉｓ•Ａ／Ｉ2
         讀出接收器上的光電流信號(hào)ｉs，然后把ＬＥＤ置于窗口上，讀出相應(yīng)的接收器光電流信號(hào)it，則ＬＥＤ的總光通量Φ為：

         式中Ｋ為色修正系數(shù)。

３．３ ＬＥＤ的光譜功率分布測(cè)量方法：
         發(fā)光二極管的光譜功率分布測(cè)量，目的是掌握ＬＥＤ的光譜特性和色度，再者是為了對(duì)已測(cè)得的ＬＥＤ的光度量值進(jìn)行修正。
         在測(cè)量ＬＥＤ光譜功率分布時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)，一個(gè)是在與標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度進(jìn)行比較時(shí)由于標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻強(qiáng)度比ＬＥＤ強(qiáng)得多，為了避免這個(gè)問(wèn)題，最好在標(biāo)準(zhǔn)燈前加一個(gè)中性濾光片，使它的光譜輻強(qiáng)度接近于ＬＥＤ。
         ＬＥＤ的光譜寬度很窄，為了準(zhǔn)確地描繪ＬＥＤ的光譜分布輪廓，最好采用窄帶波長(zhǎng)寬度的單色儀進(jìn)行測(cè)量，波長(zhǎng)間隔為１ｎｍ為好。
         按下式計(jì)算ＬＥＤ的光譜功率分布Ｅｔ。

         式中ｉ是標(biāo)準(zhǔn)燈在波長(zhǎng)ｉ處的響應(yīng)；Ｅ是標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜功率分布；ｉ是ＬＥＤ在波長(zhǎng)λ處的響應(yīng)。
ＬＥＤ的色坐標(biāo)計(jì)算公式為：

色坐標(biāo)為：
　　　　　?。絏/(X+Y+Z)
　　　　　?。絏/(X+Y+Z)
也可計(jì)算ＬＥＤ的主波長(zhǎng)和色純度。
４、結(jié)束語(yǔ)
         目前ＬＥＤ的國(guó)家光度標(biāo)準(zhǔn)裝置已建立并標(biāo)定了相當(dāng)數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ管，在此過(guò)程中我們積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，此后我們將對(duì)各級(jí)計(jì)量部門和全面ＬＥＤ生產(chǎn)單位進(jìn)行量值傳遞，統(tǒng)一監(jiān)督。這將對(duì)我國(guó)ＬＥＤ的質(zhì)量水平的提高起到促進(jìn)作用，也會(huì)為國(guó)家高科技領(lǐng)域的研究發(fā)展從一個(gè)方面提供保障。