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      專注行業(yè)ERP管理軟件二十年，成就發(fā)展夢想 
    		
        
    
      
    
         
        
    
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    LED照明與光色測量
    		
                          
    
                            
                    
    
                        
    
                          
                            
    
                              
                            
    
                              
                        
    
                      
    
                          
    
                            

    
                                    
                                 
                                    作者：宏拓新軟件
                            
    		
                          
    
                            
    
                              
    
                                  
         發(fā)布日期：2008-10-27         
    		
                              
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                              摘　要：未來照明的主導(dǎo)是固體照明，LED照明是固體照明的主要組成部分，是理想的下一代照明器件。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開光色測量技術(shù)，本文從LED照明的發(fā)展要求出發(fā)對LED相關(guān)的光色測量進(jìn)行了介紹。

    關(guān)鍵詞：LED照明  光色測量  照明評價
     
         一、引言

    發(fā)光二極管（LED）作為新興的發(fā)光體，具有電光效率高、體積小、壽命長、電壓低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是下一代照明器件的不二之選。LED的發(fā)展受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。近年來，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光效不斷增加，亮度不斷提高，如今，LED已經(jīng)滲透到了大量的應(yīng)用場合，尤其是白光LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)越來越普及。
     　　
                                                圖1 LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

    1、LED的工作原理

    發(fā)光二極管（LED）是一種能把電能轉(zhuǎn)化為光能的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)等組成。LED的基本的工作原理是一個電光轉(zhuǎn)換過程，當(dāng)一個正向偏壓施加于PN結(jié)兩端，由于PN結(jié)勢壘的降低，P區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子也向P區(qū)擴(kuò)散，同時在兩個區(qū)域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子是不穩(wěn)定的，對于PN結(jié)系統(tǒng)，注入到價帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)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(chǎn)生的光子的能量就越高。能量級差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長就不同，相應(yīng)的光的顏色就不同。
               
            圖2 LED的工作原理
               2、LED的光參數(shù)
             
                                                      圖3 LED的主要光參數(shù)

    （1）光通量

    光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量，也即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。光通量的符號為Φ，單位為流明（lm）。根據(jù)光譜輻射通量Φ（λ），由下式可確定光通量。
           
    式中V（λ）為相對光譜光視效率，Km為輻射的光譜光視效能的最大值，單位為lm/W，1977年由國際計(jì)量委員會確定Km值為683lm/W（λm=555nm）。

    （2）光強(qiáng)度

    光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在該方向的立體角元dΩ內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟Φ除以該立體角元之商，即
                      
    發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（cd），1cd=1lm/1sr�？臻g各個方向的光強(qiáng)之和就是光通量。

    （3）光亮度

    光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度是該面元dS在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之商，即：
                    單位為坎德拉每平方米（cd/m2）。當(dāng)發(fā)光表面與測量方向垂直時，則cosθ=1。 

    （4）光照度

    表面上一點(diǎn)的照度是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量dΦ除以該面元面積dS之商。即
                    
           單位為勒克斯（lx），1lx=1lm/m2。

    （5）其它

    光譜、色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等。
            
                                                       圖4 其他參數(shù)

    3、LED光色測量的必要性

    （1）避免危害

    LED與傳統(tǒng)的照明燈不同，它具有點(diǎn)光源、高亮度、窄光束輸出等特點(diǎn)。當(dāng)LED應(yīng)用于照明器具時，如果對出光角不加嚴(yán)格的控制就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光，某些高亮度LED產(chǎn)品甚至?xí)䦟θ梭w造成一定的光輻射危害。光色測量可為LED的安全使用提供指導(dǎo)。

    （2）促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

    LED的光色測量能提供大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作為判定LED產(chǎn)品合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，并可為改進(jìn)LED的設(shè)計(jì)、制造提供依據(jù)。
     
         二、LED的光色測量

    1、光通量

    （1）積分法

    測得LED在各個方向的光強(qiáng)，然后由這些光強(qiáng)值計(jì)算得到LED的總光通量。
                                                                    圖5 積分球法測LED光通量
    （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(nèi)壁涂白色漫反射層，且球內(nèi)壁各點(diǎn)漫射均勻。光源在球壁上任意一點(diǎn)上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可得，球面上任意一點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈進(jìn)行比較得到被測燈的光通量，如圖6（a）所示。

    但是由于標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈的物理結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)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(jié)果進(jìn)行修正，可采用輔助燈的方法，如圖6（b）所示。
              
                                              圖6 積分球法測LED光通量

    （3）2p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(jié)構(gòu)，如圖7所示，稱為前射光通量的測試或2p立體角光通量。該測試并不是測試LED的總光通量，但是人們常常將其與測試LED的總光通量混淆。
                                
                               &nbsp;       圖7 LED的2p立體角光通量測試

    2、光強(qiáng)度

    對于LED的光強(qiáng)的測試，CIE-127規(guī)定了兩種測試條件，如圖8和表1所示。
             
                                                 圖8 LED光強(qiáng)測試
                                   表1：CIE-127規(guī)定了兩種測試條件
             

    3、光亮度

    LED亮度的測試一般應(yīng)用于測試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(jìn)行測量（圖9（b））。
            
                                                 圖9 LED亮度測試

    4、光照度

    光照度實(shí)際上并不能算是LED的光學(xué)參數(shù)，照度是表示被照射表面受照程度的光學(xué)量。而且測試單個LED的對某點(diǎn)或某面的照度沒有太大意義，因?yàn)橐话闱闆r下對實(shí)際場合的照明都是由多個LED共同完成的。

    5、其它參數(shù)

    色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等參數(shù)的測試可以利用相關(guān)色度計(jì)或者采用光譜儀進(jìn)行測試。
     
     三、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(guān)注，因此本文也對此作一下簡單介紹。

    浙江大學(xué)三色儀器有限公司在國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。目前，浙大三色在LED的光輻射安全測試方面又取得新的進(jìn)展，為Philips公司進(jìn)行了照明LED測試工作，研究完成了具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的LED輻射安全檢測系統(tǒng)。下面以我們做的測試實(shí)例介紹一下LED光輻射安全性測試與評價的大體過程。

    1、被測白光LED 

    （1）LED工作條件
           燈管電流0.417A，電壓12V直流，功率5W。

    （2）實(shí)物圖與光譜分布
              
                                            圖10 被測LED實(shí)物與光譜分布

    2、表觀光源的測試

    如圖11所示，我們利用表觀光源測試系統(tǒng)對白光LED進(jìn)行了測試，上述9幅圖是在0度（正對）和90度方向上間隔10度拍攝得到的表觀光源像。理論上我們應(yīng)該按各個方向進(jìn)行光安全的測試評價，但是本文為簡單起見只對0度方向的情況進(jìn)行測試評價（因?yàn)樵摲较蚬廨敵鲎顝?qiáng)），其它角度可以此類推。0度方向表觀光源大小為直徑2.5cm的圓斑。
              
    ;                    圖11 白光LED表觀光源測試
     
     四、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也取決于LED的光色測量。

    1、現(xiàn)行的照明評價

    現(xiàn)行的照明評價主要是根據(jù)幾個主要光學(xué)基本量：光通量、光亮度、光強(qiáng)度和光照度等來進(jìn)行評價，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(xué)基本量是根據(jù)人眼的生物物理特性得到的一個國際照明委員會（CIE）認(rèn)可光譜光視效率函數(shù)V（λ）與對應(yīng)的輻射度量加權(quán)積分的結(jié)果，滿足關(guān)系：
            
           式中的Km=683lm/W。

    2、存在的問題與不足

    人眼的生物物理機(jī)理非常復(fù)雜，不同情況下對光刺激的響應(yīng)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(fù)雜，因此上述的光譜光視效率并不能確切地表示照明的實(shí)際效果。如圖13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(nèi)現(xiàn)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。
                 

    3、解決方法

    （1）測試方法與儀器

    采用全光譜法測得LED的光譜分布，如圖11所示，利用光譜儀進(jìn)行分光測試。
                

    （2）評價方法

     a）照明效果

    根據(jù)不同視覺條件采用不同的光譜光視效率函數(shù)加權(quán)LED光譜分布數(shù)據(jù)，得到被測光源光輻射在對應(yīng)視覺條件下的實(shí)際照明效果。例如，暗視覺時采用暗視覺光譜光是效率函數(shù)，明視覺時采用明視覺光譜光是效率函數(shù)，中間視覺采用中間視覺光譜光是效率函數(shù)。

    b）光生物安全性

    根據(jù)危害種類的采用對應(yīng)的效果函數(shù)加權(quán)LED光譜分布數(shù)據(jù)得到實(shí)際危害效果。

    總之，LED照明評價應(yīng)該符合人體實(shí)際的生物物理需求。
     
     五、總結(jié)與展望

    第一、LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開LED的光色測量技術(shù)，而為了適應(yīng)LED的照明應(yīng)用，未來的光色測量技術(shù)應(yīng)該有新的突破。

    第二、LED照明與光色測量應(yīng)該以人為本，一切以適應(yīng)人類的實(shí)際要求為導(dǎo)向。

    第三、當(dāng)前任務(wù)：

    （1）加強(qiáng)人體相關(guān)的生物學(xué)基礎(chǔ)理論的研究，促進(jìn)學(xué)科的交叉合作。

    （2）與國際接軌，加快規(guī)范性文件的制定與實(shí)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(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光色測量儀器。

    （4）加強(qiáng)各類測試技術(shù)的研究，培養(yǎng)專業(yè)的測試人員，并加快提高質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的裝備水平和檢測能力。    		
                            
    
                        
    
                      
    
                            
    
                              
                            
    
                      
    
                          
                            
    
                              
                               
                            
    
                            
    
                              
                              
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