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技术不断突破 LED测量规范日渐不足

 
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
 
 
 
 

跟着资料及制程方面不断地前进及演进,发光二极管不光发光功率曾经有了显着的晋升,其色彩也曾经不再局限于传统的赤色及黄色,可与赤色配成全彩的蓝色、绿色及白光发光二极管等也连续开发完结。发光二极管已逐渐迈向全彩的视界,并广泛运用于生计中的各个范畴。  
 

与传统光源相比较,发光二极管不光外型上与传统的灯源有极大的不一样,其在旋光性及电性上也很不一样。当前运用在照明发面的灯源首要分为两种,一种是运用电流发生高热而发光的灯源,这类型的灯源较常看到的是传统桌上型台灯的灯泡,或是点缀用的卤素灯等。这类型灯源有费电、高热、发光功率欠安等特性,可是由于其光谱散布与我们较习气的太阳光类似,因而仍被广泛地运用在点缀及铺排照明方面。而另一种则是运用气体放电原理发光的光源,藉由气体放电发生游离电子碰击管内的汞蒸气,发生的紫外线被管壁上的荧光粉吸收后,而放出特定波长的可见光光谱。通常较常见到的这类型光源就如如今最常运用的日光灯管,或是发光功率为当前光源中较高的省电灯泡等。这类型的光源当然有省电、发光功率较佳的长处,可是其宣布的紫外线固然当前尚不能证实对人体会有损伤,但曾经断定的是在长期运用下会损坏如艺术品颜料及纸张等资料;而灯管内所填充的汞,在运用时决裂或搁置时都可以形成环境上极大的损伤。



由于如此,与传统灯源如卤素灯、荧光灯相比较,固然在这些年来传统灯源仍有在发光功率或办法上仍有适当的前进,可是各国的研制单位仍在寻觅更合适替代传统灯源的替代品,因而具有节约动力潜力的发光二极管在动力逐渐缺少及各国晋升绿色环保观念的一起,独特招引我们的注重。



通常照明光源检测包罗光衡量与色彩



关于照明光源而言,常用的光衡量的界说包罗了光通量、光强度、光照度等,别离代表了单位工夫中光源所宣布的总通量(以流明为单位)、光源在所打开的立体角中所颠末的通量(单位为烛光),以及单位面积被光源所照耀到的通量(单位为勒克斯),兹将光衡量界说与其对应之表明式收拾如表1



而在光的衡量以外,在人眼可以感知到光源的特性还包罗了色彩的局部,可是通常直接运用口述来陈说红、橙、黄、绿、蓝等色彩,其实会由于人与人认知上的间隔而有极大差错,因而平常生计中较便利的办法是运用孟得赛尔体系所供给的色卡及测色样品;更科学的办法则是运用科学家所界说的色度坐标体系,包罗了CIE1931标准色度体系,或是CIE1976均匀色空间体系等,合作量测及核算,可以将色彩以坐标精准地出现出来。



LED特性差异招致检测办法不一样



不论是光衡量或是色衡量,最初在拟定这些标准时,都是根据通常的传统光源,这些传统光源不论其发光的原理为何,其光源自身(不思考灯具的局部)都有在空间中均匀向外分散的特性,也就是光源所宣布的光线均匀向外传递,因而不论是光强度界说中需思考到的立体角,或是光照度界说中需思考到被照耀物的面积,都可以清晰且清楚地界说出来。可是发光二极管却有极大的不一样,早期发光二极管由于发光功率极低,也就是每颗发光二极管适当暗,当处于这样的前提下,在思考发光二极管封装办法时当然会期望尽量能收集到其所宣布的光线,也就是将光源所宣布的光线会集在很小的视点中。因而早期遍及运用在核算机机壳、仪器警示灯上的发光二极管基本上都有这样的特性,这一系列炮弹型封装产物首要是运用碗状的支架及炮弹型的模粒,将晶粒所宣布的光线向中间会集。这一系列的发光二极管跟着其模粒直径的不一样,通常可分为或是的发光二极管(1)



而在发光二极管发光功率逐渐晋升的一起,可运用的范畴也越来越广,因而林林总总不一样封装办法的发光二极管产物连续问市。这些不一样封装办法的发光二极管基本上首要是根据客户的运用需求而描绘,这些运用包罗了交通号志灯、手机背光源、大型LCD背光源、车灯、野外显现广告牌、独特照明乃至是生医范畴的运用。而这些运用的需求除了低电流会是低电压驱动(合作太阳能电池之运用)、高功率操作、优秀的散热性或独特场合的运用(如高空、高温与低温、水底等)等,最重要的就是其独特的空间发光特性。光源在空间中发光的特性通常是以配光曲线(Beam Pattern)来剖析,也就是运用精细的Goniophotometer设备将光源在空间中所有视点上的宣布光线以侦测器侦测后,予以收拾剖析。



关于传统光源(未加灯具)而言,其配光曲线中光源在各视点的发光强度跟着不一样发光视点的散布,基本上是一样的。可是关于发光二体而言,固然未合作任何灯具的运用,其配光曲线中发光强度关于视点的散布仍有激烈的关联性,这样的特性称为指向性。需求阐明的是固然goniophotometer可以量测光源光线在空间中三维的散布,不过通常来说配光曲线图在表明时仍以两维表明法居多。图2为通常配光曲线的表明图,图2的右半部为通常直角坐标系的表明办法,其横轴为视点,纵轴为强度。而图2左半部则为雷达图表明办法,强度以脱离圆心的圆周间隔来表明。通常配光曲线的量测成果可任择一种办法表明,或如图例以两种表明办法一起表明。



LED量测选用CIE-127



从上述的评论可以很显着地看出,由于发光二极管具有激烈的指向性,因而适用于传统照明光源的全光束及光衡量测办法未必适用于发光二极管的量测上,因而世界照明协会(CIE, International Commission on Illumination)第二小组在1994年建立TC2-34 LED Measurement技能委员会,对准LED光学特性的量测进行研讨,并拟定如表2所示的分项技能评论。关联于TC2-34的技能陈述于1997年由CIE宣布,陈述标题为「CIE-127 Measurement of LED」,就是当前我们所熟知遍及被运用于LED量测的CIE-127



CIE-127整份文件分为8个章节,8个章节的标题别离如下:



1. Introduction



2. Properties of LEDs



3. Production tolerance



4. Properties of the detector



5. Quantities defining spatial relations



6. Measurement of total luminous flux



7. Quantities related to spectral
distribution



8. Bibliography



而在CIE-127文件的一最初,便试着阐明这份文件的拟定首要是由于发光二极管与其它光源有显着地不一样,因而需求一些新界说来做精准量测,这个新界说称为均匀发光二极管发光强度(Averaged LED Intensity),而这个新界说的量测可以供给市面上不一样封装办法的发光二极管有含义及具有重复性的量测成果。别的,光通量(Luminous Flux)也在评论的规模中,而发光二极管光通量的量测需求独特建构适用的积分球。文件中主张,发光二极管光通量与均匀发光功率的量测最棒能与标准发光二极管以比较法取得最佳的成果,而标准发光二极管的挑选根据是该标准发光二极管与待测发光二极管具有一样的波长性质及配光曲线,且在运用时需求有杰出的温控。



其实整份文件固然共有8个章节,但就如其文件所述,其要点首要在均匀发光二极管发光强度的界说与光通量量测的注重事项上,前段其它章节首要是描绘发光二极管的特性、产物间差错及量测时侦测器的选用,后段则在着重色彩方面思考及量测时须注重的议题。由于与CIE其它关联于光度、色度的文件迥然不一样。因而在这边首要要评论的仍是均匀发光二极管发光强度及光通量的量测。



均匀发光二极管发光强度
LED全新量测办法



关于光源而言,通常会独特界说其光轴(Optical Axis)与机械轴(Geometric
Axis)
。所谓的光轴代表的是光学上在空间中光强度散布的对称轴(可由配光曲线判别),而机械轴则表明光源在外型上尺度对称的中间轴,通常光度关联的量测大局部会以光轴为中间点。而跟着封装办法的不一样,不一样的发光二极管的外型并不一样,其发光特性也有很大的不一样,就算关于彻底一样的封装办法,由于发光二极管的制程通常被归类为半导体关联制程,以相对的尺度而言,芯片的发光层、电极与基板间相对方位的改变适当大,因而样品的光学轴与机械轴未必是在一样的轴上(3)。关于生产线而言,为了一起统筹产值与光衡量测的功率,通常是运用机械轴做为量测轴,这样要下降样品间量测的差错,或是晋升样品量测的再现性,会适当艰难,因而用发光二极管的机械轴为量测轴,本质上就具争议性,因而运用光学轴作为量测标准似乎是合理的办法。仅仅推到实践面而言,要找到发光二极管的光学轴需求由样品配光曲线量测定位得到,可是通常的配光曲线量测会消耗适当多的工夫,因而在实践量产上藉由光学轴来量测发光二极管会有适当的艰难。



为彻底解决以上问题,因而CIE导入「均匀发光二极管发光强度」这种全新量测的办法,这种均匀发光二极管发光强度(Average LED Intensity)的界说可对准当前已商品化的各种发光二极管,供给具有有用含义与再现性的量测成果。所谓的均匀发光二极管发光强度是将发光二极管的组织轴界说为量测中间的首要量测根据,并清晰规则发光二极管与侦测器的间隔、侦测器的巨细,这样的作法可将发光二极管由于封装办法或是外型上不一样所形成的发光强度改变予以均匀化。实践上的作法则是固定发光二极管与侦测器的间隔,而侦测器的前方有必要设置约束侦测器接纳面积为100mm2的圆形光圈(Aperture),藉由侦测器可接纳到的均匀照度(Illuminance)以核算发光二极管的均匀发光强度ILED,其架构如图4



CIE-127规则,根据发光二极管与侦测器的间隔的不一样,界说出两种不一样的量测条件,别离为CIE Standard Condition ACIE
Standard Condition B
。当发光二极管与侦测器的间隔d316mm(3),称为CIE Standard Condition A;当发光二极管与侦测器间隔d100mm时,称为CIE Standard Condition B。具体上来说,Condition
A
代表光源执政侦测器方向,且在侦测器面积为100mm2所张的立体角(Solid Angle)0.001sr(其平面视点约为2°),而Condition B则代表光源执政侦测器方向,且在侦测器面积为100mm2所张的立体角(Solid Angle)0.01sr(其平面视点约为6.5°)。而均匀发光二极管强度的核算则是在承认量测条件为CIE
Standard Condition A
或是CIE
Standard Condition B
后,藉由下列式子得出:



其间E为均匀照度(Average Illuminance),其单位为lmm-2,而d代表发光二极管端缘至侦测器的间隔,单位为公尺。



CIE-127藉由对量测中每一项变量清晰的界说,防止由于发光二极管实践发光中间不清晰,或是光轴不易断定所可以形成影响,并藉由均匀(average)的主意,减低在量测发光强度时由于发光二极管激烈的指向性,形成在量测发光强度时由于量测轴选用的禁绝而可以形成的差错。不过再一次着重的是,在运用均匀发光二极管强度(Average LED Intensity)时,量测体系的发光二极管样品的中间轴为其机械轴,且CIE Standard Condition中的间隔为发光二极管样品端缘(也就是几许形状上的最前缘)至侦测器的间隔。而量测出的均匀发光二极管强度有必要清晰标示所运用的条件为CIE Standard Condition A仍是CIE
Standard Condition B
,并可以ILED
A v
或是ILED B v表明。



全光通量为LED重要量测项目



关于照明用光源而言,全光通量(Total Luminous Flux)的量测对评价光源的能量变换功率(Luminous Efficency)是非常重要的项目。量测光源的办法全光通量首要可分为两类,一类是直接运用精细的配光曲线量测设备Goniophotometer进行量测,运用侦测器将光源在空间中各视点的发光强度积分后可得到光源的全光通量。假定光源被包在球型的量测区域中,侦测器运用体系的悬臂沿着此球型区域绕行,则球型区域上单位面积dA(dA在空间中的视点为θψ),其所收到的单位光通量可以光照度(illuminance)来表明:



(具体请见新电子2294月号第168)



而光源的总光通量ψ则为:



(具体请见新电子2294月号第168)



可是也像前面所提过的,架起一套配光曲线量测用的Goniophotometer不光所费不兹,更由于配光曲线的量测会消耗适当的工夫,因而关于量产的厂商而言,并不可以将这样的设备架起在产在线,进行产物的检控。因而CIE也供给了另一套较简化的量测办法用以量测发光二极管的总光通量,也就是运用积分球(Intergrating Sphere)量测光源光通量的办法。



运用积分球量测光源总光通量的办法由来已久,所运用的设备是一颗内层镀有高散射特性反射膜的空心金属球壳。置于积分球中的光源在点亮后其所宣布的光线会均匀地在球壳来回反射直至均匀地充溢在球壳中的每一部份。若在球壳上的某局部开一个小孔并置入侦测器,则侦测器所得到的读值与整颗球壳与小孔面积的份额相乘积,就可以得到光源的总光通量。



运用积分球量测光源光通量的办法关联于运用Goniophotometer要来的简略,可是在体系的架起及积分球选用方面却相对重要,这些要项包罗了积分球的尺度巨细、壳内反射层反射率的凹凸、光源在壳内的架起方位、挡板(Baffle)的选用及方位的装备、补助灯(Auxiliary Lamp)侦测器的选用等,都需求颠末精细的核算及实验描绘。而发光二极管由于其尺度的独特及激烈的指向性,因而在运用积分球量测其光通量时会需求独特注重。



CIE发如今大局部实验室用于量测发光二极管的总光通量所运用积分球巨细通常小于10厘米,使得发光二极管由于非发光部(模粒、导线、金属组件等)的自我吸收占光源全体的比率之所形成的量测差错比通常照明用光源大,因而除了设法削减非发光部的吸收外,别的一个办法就是透过抵偿发光二极管(Auxiliary LED)的抵偿办法进步量测精度。因而抵偿发光二极管的选用也相对重要,CIE主张在选用抵偿发光二极管时有必要合作待测发光二极管的一些特性,包罗附近的配光曲线、附近的总光通量及附近的光谱特性等。CIE并主张用于量测发光二极管的总光通量时积分球尺度不能太小,也就是期望积分球直径不行小于30cm。而合适发光二极管量测之积分球结构,与抵偿发光二极管、挡板的设置办法按照CIE-127共有3种,其设置办法如图5所示。其间图5(a)的装备办法为量测发光二极管总光通量时最简略的装备,仅思考运用挡板挡住发光二极管直射入侦测器的视点,可是相对地,这样的装备办法由于彻底没思考样品及量测环境的尺度份额及吸收丢失,因而形成的差错也较大,所以图5(a)的装备办法仅适用在积分球大于30厘米时的量测条件。


LED技能不断打破
量测标准日渐缺少 CIE-127的发生让本来莫衷一是的发光二极管量测有了根据,不光供给各发光二极管制造厂商一个产物检测的根据,也进步了各研讨单位对准发光二极管关联量测的重复性与再现性。不过从1997年到如今,关联于发光二极管于其它范畴的运用与研讨仍继续在进行,而关于一些新式发光二极管或模块的量测,CIE127也渐渐出现出其缺少的当地。不过关联于发光二极管量测方面的进一步研讨,CIE其实并没有连续。去年在东京所举行的「CIE
Symposium 2004 on LED Light Sources
」便对准当前各研讨单位或是发光二极管制造商所遇到量测或是验证上的问题、发光二极管在运用上的安全性,及发光二极管于光源质量关联的界说能否适用等问题进行评论。而从CIE悉数评论的议题傍边(如表34),发光二极管关联的议题份额越来越高,也可以看出发光二极管近年来所遭到的注重。可是关于发光二极管量测方面的研讨,国内关联的研讨起步甚慢,因而无法将台湾各发光二极管制造商实践上遇到的问题真实地反映在关联文件或是标准的拟定,因而期望关联的研讨单位能在可预见的将来,供给国内各制造商关联的撑持与弥补,并能在技能面上与世界关联单位接轨,让国内涵发光二极管工业上可以愈加老练。
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