引言

　　LED 技術(shù)雖然已經(jīng)有40 多年的發(fā)展歷史,在產(chǎn)業(yè)界依然存在LED 光學(xué)參數(shù)測(cè)試再現(xiàn)性差,測(cè)量不確定度大,不同測(cè)試裝置之間的測(cè)試結(jié)果一致性差等現(xiàn)象[1～3 ] 。究其原因,如同國(guó)內(nèi)對(duì)LED 產(chǎn)業(yè)存在多頭管理,國(guó)際上也一樣: 國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料組織(SEMI) ,國(guó)際電工委員會(huì)( IEC) 和國(guó)際照明委員會(huì)(CIE) 都程度不同地涉及到LED ,尤其是后兩個(gè)委員會(huì)。正是由于LED 的相關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際上不同的標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的,而且各個(gè)國(guó)際組織總體上沒有系統(tǒng)的規(guī)劃,相關(guān)組織間也沒有充分協(xié)商,因而存在不同的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,所頒文件的技術(shù)內(nèi)容也不盡相同。IEC 成立于1906 年,它把LED 作為一個(gè)顯示用半導(dǎo)體器件處理,側(cè)重于它的物理特性。CIE 成立于1913 年,它更多地把LED 作為一個(gè)光源器件處理,所以導(dǎo)致各自的LED 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)之間存在微小的差異。本文試圖通過比較各自的標(biāo)準(zhǔn),找出兩者的不同之處,以便為L(zhǎng)ED 測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)的最終定稿提供一些參考。

　　1 　CIE 和ICE 對(duì)同一事件的不同表述

　　1.1 　發(fā)光(輻射) 效能的定義

　　首先,必須修正對(duì)這個(gè)術(shù)語的誤解,發(fā)光(輻射)效率(efficiency) 用在此文中是不妥的,因?yàn)樾适侵笩o量綱的物理量,而此處是有量綱的。所以,正確的叫法是“發(fā)光(輻射) 效能(efficacy) ”。

　　發(fā)光(輻射) 效能的定義:

　　CIE 定義:LED 發(fā)出的光通量(輻射通量) 與耗費(fèi)電功率之比。

　　IEC 定義:LED 發(fā)出的光通量(輻射通量) 與耗費(fèi)正向電流之比[4 ] 。

　　評(píng)論:CIE 的發(fā)光效能要測(cè)3 個(gè)物理量:總光通量,正向電流,正向電壓(或內(nèi)阻) 。而IEC 只需測(cè)量?jī)蓚€(gè)物理量:總光通量、正向電流。它沒有選擇正向電壓是很明智的,因正向電壓會(huì)隨管芯溫度的升高而下降。作者認(rèn)為,IEC 的定義是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。因?yàn)榧词箤?duì)于同一批次的管芯和封裝,管芯的內(nèi)阻及端電壓存在微小差異,所以僅適用于對(duì)發(fā)光(輻射) 效能允許有一定變動(dòng)范圍的情況。這樣測(cè)試時(shí)間將縮短,因只需測(cè)量?jī)蓚€(gè)物理量。

　　1.2 　發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量距離

　　CIE[5 ] 規(guī)定了發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量距離有兩種:遠(yuǎn)場(chǎng)(條件A) 為316mm ,對(duì)應(yīng)的立體角為01001Sr ; 近場(chǎng)(條件B) 為100mm ,對(duì)應(yīng)的立體角為0101Sr :兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換,遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果乘以10 就得到近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。

　　IEC[6 ]規(guī)定的測(cè)量距離僅為近場(chǎng)(條件B) ,立體角< 0101Sr ; (為什么不寫等于0101Sr ?) 。

　　對(duì)測(cè)量距離,CIE 明確規(guī)定從LED 的外殼頂端到光探測(cè)器的靈敏面。而IEC 規(guī)定得比較模糊。

　　評(píng)論:表面看起來,遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量比近場(chǎng)測(cè)量有時(shí)候不確定度要小,因?yàn)樵诖藯l件下對(duì)測(cè)量距離、電流和雜散光的要求可相對(duì)低一些。但同時(shí),LED 安裝傾角的影響卻相對(duì)增大,這可是一個(gè)大誤差源。一般而論,遠(yuǎn)場(chǎng)條件可適用強(qiáng)照明及封裝產(chǎn)品,而近場(chǎng)條件適用于弱照明和芯片、指示燈和背光源等。故均有存在的必要性。其次,CIE 在邏輯上不夠嚴(yán)謹(jǐn)。首先,它用很大篇幅說明了LED 不是點(diǎn)光源,故距離平方反比定律不成立,發(fā)光強(qiáng)度這個(gè)概念也不適用。另外在實(shí)踐上,它實(shí)際上是測(cè)量LED 在光電探測(cè)器靈敏面上的照度,然后乘以距離的平方而得到發(fā)光強(qiáng)度。這樣,曾經(jīng)被否定的距離平方反比定律實(shí)際上仍用到了。

　　1.3 　測(cè)量的外部條件

　　CIE 明確規(guī)定測(cè)量的環(huán)境溫度為25 ℃,但沒提及大氣條件。

　　IEC 則在籠統(tǒng)地提到環(huán)境溫度的同時(shí),也強(qiáng)調(diào)了適宜的大氣條件。

　　評(píng)論:根據(jù)作者長(zhǎng)期對(duì)硅光電二極管深入研究的經(jīng)驗(yàn),LED 參數(shù)與大氣條件諸如大氣壓、濕度、潔凈度等有關(guān)是肯定的,只是尚未做這方面的實(shí)驗(yàn)來予以證實(shí)。

　　2 　IEC 提及卻被CIE 遺漏的內(nèi)容

　　2.1 　CIE 沒有提到LED 輻射強(qiáng)度的測(cè)量,這實(shí)際上是一個(gè)非常重要的物理量

　　IEC 則用較大篇幅提到這一點(diǎn)。其一,指出輻射強(qiáng)度的測(cè)量定位應(yīng)是機(jī)械軸方向(法向輻射強(qiáng)度) ;其二,提到要用無光譜選擇性的探測(cè)器如熱電偶堆等熱電探測(cè)器作為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器:其三,提到要用近場(chǎng)測(cè)量。輻射強(qiáng)度對(duì)紅外發(fā)光二極管( IRED) 尤其重要。

　　2.2 　CIE 沒有提到脈沖測(cè)量

　　既然市場(chǎng)上有“閃光LED”,閃光頻率約為113～512Hz ,所以必須有相應(yīng)的測(cè)量方法。

　　IEC 規(guī)定,對(duì)閃光LED 的測(cè)量,光探測(cè)器的上升時(shí)間應(yīng)該足夠小,而且應(yīng)該能讀取脈沖的峰值。

　　IEC 規(guī)定,為了測(cè)量峰值波長(zhǎng)的帶寬,單色LED的波長(zhǎng)分辨率和帶寬應(yīng)能夠調(diào)節(jié),以便測(cè)量有足夠的精度。輻射計(jì)的光譜響應(yīng)進(jìn)行校正,不妨假定峰值波長(zhǎng)為100 % ,以便作歸一化處理。IEC 指出,若單色儀的透射因子和輻射計(jì)的靈敏度在所測(cè)量的波長(zhǎng)范圍內(nèi)不是常數(shù),則要對(duì)測(cè)量值做相應(yīng)的修正。[NT:PAGE]

　　2.3 　CIE 沒有提到LED 暗電流的測(cè)量

　　IEC 強(qiáng)調(diào)指出,LED 暗電流的測(cè)量對(duì)溫度非常敏感,所以測(cè)量精度極大地依賴于環(huán)境溫度。另外,雜散光也是一個(gè)因素,測(cè)量最好在全黑環(huán)境下進(jìn)行。工作電流也必須從零開始慢慢往上調(diào)節(jié)。

　　2.4 　CIE 沒有提到總電容測(cè)量時(shí)的頻率

　　由LED 和光晶體管組成的光耦合器,LED 在其中起著開關(guān)作用。其抗干擾能力比一般方法強(qiáng)。電容測(cè)量?jī)x的最小分辨率≮1PC ,而電容的測(cè)試頻率規(guī)定為1MHz ,這對(duì)LED 總電容的測(cè)量可能有借鑒作用。

　　現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)只籠統(tǒng)地提到“規(guī)定頻率”一詞,到底用多大頻率測(cè)量總電容尚無規(guī)定。

　　2.5 　CIE 沒有提到LED 的開關(guān)時(shí)間

　　IEC 明確提到了光耦合器的開關(guān)時(shí)間。如上升時(shí)間tr ,開啟時(shí)間ton ,關(guān)閉延遲時(shí)間td ,下降時(shí)間tf ,關(guān)閉時(shí)間toff 等。

　　3 　CIE 提及卻被IEC 所遺漏的內(nèi)容

　　與上節(jié)相比,這方面的內(nèi)容就太多了,故只能點(diǎn)到為止。

　　3.1 　LED 的性質(zhì)

　　3.1.1 　LED 的光學(xué)性質(zhì)

　　●發(fā)光強(qiáng)度的空間分布強(qiáng)調(diào)了對(duì)芯片的封裝經(jīng)常會(huì)改變它原來的光譜和空間分布。

　　●相對(duì)于其它光源而言,LED 的光譜分布既不是單色的(與激光束比) ,也不是寬帶的(與白熾燈比) 。

　　●LED 的發(fā)光面積,由于包裝和透鏡、反光鏡等的不同,而有不同的尺寸和形狀。與測(cè)量距離相比,LED 的發(fā)光面積大到不再是點(diǎn)光源。

　　3.1.2 　LED 的電學(xué)性質(zhì)

　　●正向電壓:它的精確測(cè)量最好用4 線測(cè)量方法,而隨著管芯溫度的上升正向電壓會(huì)下降。由于LED管芯發(fā)熱的作用,剛開啟的時(shí)候,輻射功率上升的速度快于電功率的上升。而到了平穩(wěn)工作期間,LED 的光輻射又強(qiáng)烈地依賴于正向電流。

　　●由于溫度和電壓之間的復(fù)雜關(guān)系,不推薦用穩(wěn)定的電功率作為穩(wěn)定的LED 光輸出功率的前提。

　　●正向電壓與組成LED 的半導(dǎo)體材料相關(guān):在正向電流20mA 的前提下,紅外管的端電壓是112V ,藍(lán)光管為615V ,其它的管子在這個(gè)范圍以內(nèi)。

　　●CIE 規(guī)定,測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度為25 ℃,但供給LED電源的接觸點(diǎn),管芯和熱沉之間引線的長(zhǎng)度和電阻均會(huì)顯著地影響測(cè)量結(jié)果。

　　●CIE 也提到輻射效率是電流的函數(shù)。因?yàn)楣ぷ麟娏鞯脑黾硬坏珪?huì)增加LED 光功率的輸出量,而且會(huì)提高芯片溫度,后者反過來又會(huì)影響到LED 的光功率輸出。如果對(duì)工作電流進(jìn)行調(diào)制,則芯片溫度會(huì)產(chǎn)生起伏現(xiàn)象,導(dǎo)致在同樣的電流下,平均光功率輸出不等于穩(wěn)態(tài)下LED 的光功率輸出。

　　●恒電流和一個(gè)溫度穩(wěn)定的電壓將導(dǎo)致LED 有一個(gè)穩(wěn)定的電功率消耗。不過須注意,不控制溫度上升的電功率穩(wěn)定將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)非常不同的LED 運(yùn)行條件。輻射的相對(duì)功率分布將影響如下兩個(gè)方面:一是它將輕微地改變光強(qiáng)分布的形狀;二是當(dāng)溫度上升時(shí),整個(gè)分布將顯著地朝長(zhǎng)波方向移動(dòng)(但藍(lán)光LED一般是向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)) 。

　　3.1.3 　溫度對(duì)輻射的影響

　　●表面看起來,不變的電流電壓似乎能提供LED 一個(gè)恒定的電功率。然而,如果不控制溫度則不可能得到穩(wěn)定的光功率輸出。原因是:LED 的相對(duì)功率分布一方面會(huì)隨溫度而發(fā)生輕微的改變,另一方面當(dāng)溫度上升時(shí),整個(gè)分布將朝長(zhǎng)波方向漂移(對(duì)藍(lán)光LED 則向短波方向漂移) 。

　　●只要溫度存在著變化,則LED 發(fā)出的輻射通量也總處于變化狀態(tài)中,即效率(efficiency) 在變化。對(duì)綠色單色管而言,因它處于∨(λ) 曲線的峰值附近,故而變化小一些。對(duì)紅光和藍(lán)光單色管而言,因處于∨(λ) 曲線的尾部,則變化要大一些。

　　●管芯溫度升高的速率依賴于輸入的電功率和LED 封裝產(chǎn)品的熱容。在熱平衡以后管芯的溫度主要取決于管芯通過引腳向環(huán)境的散熱。因此,LED 結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能、引線長(zhǎng)度和熱沉三者決定了管芯溫度。

　　●在高的環(huán)境溫度下,當(dāng)電流固定時(shí),正向電壓會(huì)下降。而對(duì)此進(jìn)行調(diào)整以穩(wěn)定LED 的電功率消耗會(huì)影響芯片的溫度,從而影響LED 的端電壓。因此,電功率的穩(wěn)定不能作為一種改進(jìn)LED 光功率輸出的手段。

　　3.2 　誤差的產(chǎn)生原因

　　因?yàn)長(zhǎng)ED 的機(jī)械軸和光軸很少會(huì)重合, 加上LED 發(fā)光的面積、形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)總存在差別,故很難確定LED 的發(fā)光中心,從而導(dǎo)致角度和位置兩方面對(duì)準(zhǔn)的困難,增加了測(cè)量的不確定度。

　　3.3 　光電探測(cè)器的性質(zhì)

　　CIE 推薦使用“硅光電二極管”,選用標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè):一是面響應(yīng)均勻性,即靈敏面上各點(diǎn)輸出的測(cè)試信號(hào)均相同;二是響應(yīng)與被測(cè)光的入射角無關(guān)。

　　3.4 　LED 的發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量

　　●LED 不是點(diǎn)光源,距離平方反比定律不適用。

　　●因?yàn)長(zhǎng)ED 沒有真正意義上的發(fā)光強(qiáng)度,折衷之下提出“平均發(fā)光強(qiáng)度”的說法。

　　●規(guī)定遠(yuǎn)場(chǎng)(條件A) 為316mm ,對(duì)應(yīng)的立體角為0.001Sr 。相應(yīng)的平面角為2°。規(guī)定近場(chǎng)(條件B) 為100mm ,對(duì)應(yīng)的立體角為0.01Sr。相應(yīng)的平面角為615°。兩者之間可用10 倍關(guān)系相互聯(lián)系。

　　3.5 　光通量的測(cè)量

　　●變角光度計(jì)法:以LED 的頂部為假想球心,光電探測(cè)器與LED 的距離為假想球半徑,然后把此假想球面分成N 個(gè)部分,假設(shè)每一部分的照度相同,則積分或累加后很容易得到總光通量。這是最準(zhǔn)確的絕對(duì)測(cè)量方法,缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。

　　●積分球法:這是一個(gè)相對(duì)測(cè)量?jī)x器,故必須事前對(duì)其定標(biāo)。為了消除LED 自吸收的誤差,CIE 建議用一個(gè)輔助LED 插入積分球內(nèi)同時(shí)測(cè)量。[NT:PAGE]

　　3.6 　光譜量的測(cè)量

　　●與別的標(biāo)準(zhǔn)不同,CIE 增加了“中心波長(zhǎng)”的概念:即波形半寬度的中間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。這樣就解決了許多單色管的配光曲線在法向方向凹進(jìn)去的波長(zhǎng)描述的困惑。其它如主波長(zhǎng)、峰值波長(zhǎng)和質(zhì)心波長(zhǎng)各種標(biāo)準(zhǔn)中均有提及,此略。

　　●對(duì)質(zhì)心波長(zhǎng)要特別注意:由它的定義和公式可知,它強(qiáng)烈地受制于LED 光譜分布的形狀。即使光譜形狀有非常小的改變(尤其在紫外和紅外處) ,均可顯著地改變質(zhì)心波長(zhǎng)的位置。

　　4 　對(duì)CIE 和IEC 提出的一些建議

　　4.1 　關(guān)于硅光電二極管靈敏面的面積

　　CIE 規(guī)定:靈敏面的面積為100mm2 (相應(yīng)的直徑為Φ1.13mm) ,且靈敏面必須是圓形。國(guó)產(chǎn)硅光電二極管由于質(zhì)量原因目前不宜使用,那么國(guó)外產(chǎn)品呢?日本濱松HamamatsuS1337 無窗系列的硅光電二極管的靈敏面尺寸為10 ×10 (mm2 ) ,并且美國(guó)UDT公司和EG&G公司所制的硅光電二極管也大致為上述尺寸。若選用10mm 作為光電探測(cè)器靈敏面的直徑,則相應(yīng)的靈敏面面積僅為7815mm2 , 比CIE 的規(guī)定要小2.15mm2 ,面積減小20 %以上,造成量值的混亂。若用S6337 無窗系列, 它的靈敏面面積為18 ×18(mm2 ) ,取1.13mm 作直徑太浪費(fèi)。而且S1337 的價(jià)格1 000 元/ 只,而S6337 的價(jià)格為4 500 元/ 只。故此強(qiáng)烈建議CIE 把光電探測(cè)器靈敏面的直徑改為10mm。

　　4.2 　關(guān)于光電探測(cè)器的光譜靈敏度和∨(λ) 濾光器的匹配精度

　　兩者的匹配結(jié)果應(yīng)符合CIE1924 年頒布的明視覺函數(shù)曲線,其偏差一般用f1 表示。CIE 要求f1 <1.5 % ,這樣太苛求了。因?yàn)槟壳笆澜缟?or;(λ) 濾光器做得最好的是德國(guó),f1 為1.5 %。目前, ∨(λ) 濾光器國(guó)內(nèi)的水平受制于材料(有色中性玻璃) 和工藝條件,只能做到4 %～5 %。根據(jù)國(guó)情, 我們認(rèn)為f1 定為2.2 %比較適合。

　　4.3 　關(guān)于單色管發(fā)光強(qiáng)度光譜分布的帶寬

　　在測(cè)量LED 的輻射強(qiáng)度時(shí),帶寬是一個(gè)重要的因子,而相應(yīng)波形下的面積即是單色管的總光通量。但提及光譜分布必須涉及到單色儀。實(shí)質(zhì)上單色儀是波長(zhǎng)可變的濾波器。根據(jù)濾波理論,輸出信號(hào)是輸入信號(hào)和儀器本身傳遞函數(shù)的卷積,只有去除了這個(gè)卷積,才能得到正確的波形。所以單色LED 通過單色儀時(shí),帶寬必然增加,俗稱“儀器加寬”。這個(gè)現(xiàn)象只有用狹縫函數(shù)[7 ] 才能正確處理。至于光柵加線陣CCD 的LED 色度儀,其儀器加寬效應(yīng)更加明顯,在此不予討論。此外,建議CIE 規(guī)定單色儀入P出射狹縫的寬度,因?yàn)椴ㄐ蔚膸捙c此也密切相關(guān)。

　　4.4 　色溫修正

　　考慮到發(fā)光強(qiáng)度的國(guó)家基準(zhǔn)和總光通量的國(guó)家副基準(zhǔn)大多數(shù)為2 856K的A 光源作為標(biāo)準(zhǔn)燈,而LED的色溫目前普遍在4 000～7 000K之間,所以必須進(jìn)行色溫修正,修正量一般為3 %左右。色溫修正的前提是必須知道所用光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線。

　　5 　結(jié)束語

　　由于標(biāo)準(zhǔn)的制定遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐,導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)(草稿) 滿足不了產(chǎn)業(yè)界的要求。限于水平,雖然有不少謬誤之處,筆者仍希望此文有助于正式標(biāo)準(zhǔn)的制定。

　　參考文獻(xiàn)

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