照明用LED的光电性能及测试仪器—
[摘 要] 发光二极管(LED)是一种PN结型发光器件。因其具有长寿命、集成化、高光效、工作可靠等诸多特点，在特殊照明及未来普通照明领域受到广泛的关注。本文介绍了用于照明领域的LED应具备的特性及评价方法。根据LED的发光特点，分析了照明用LED光电性能测试中存在的问题，并介绍了相应的解决方法。最后，结合LED生产过程，从芯片、材料、封装、照明灯等各个方面，介绍了我们最新研发的几种典型的测试仪器。
[关键词] 半导体、照明、发光二极管、LED、白光LED、光度测量、色度测量
一、前言
发光二极管(LED)是一种把电能直接转换成光的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统等组成。目前，LED主要用于三大领域：
1) 显示：如指示灯、信号灯、警示灯、显示屏等；
2) 照明：手电筒、矿灯、定向照明灯、辅助照明灯等；
3) 功能辐射：如生物分析、光疗、光固化、植物照明等。
衡量LED光电性能的主要参数如表1所示。
照明用LED与传统光源相比，它有自身的优势和弱点。就目前的LED技术来看，它具有体积小、易集成化、寿命长、耐振动、IP等级高、定向发光、热辐射小等优点。但也存在灯功率低、光通量小、光效不够高、PN结散热困难、光斑的亮度和色度均匀性差等不足。当然，照明用LED刚刚起步，技术发展的潜力很大。要达到一般照明光源的要求还要经过很多年的努力。
每一种光源都有其自身的特点。无论是白炽灯、荧光灯、金卤灯、无极荧光灯、无汞荧光灯、以及照明用LED，都具有自身特有的光电性能，安全性能、环保性能及性价比。LED在照明的应用中具有很强的潜在优势，应用场合及市场份额会迅速扩大，但也不能片面认为LED将来会完全取代传统光源。随着照明科技的发展，对未来照明光源的评价不仅仅是着眼于光效范畴，还应强调照明效果、光的舒适性、光的生物效应、光的安全性评价，以及环保性能、资源消耗的评价。
由于LED是一个定向辐射光源，带有成像光学系统，而且是带状光谱辐射源，因此在光电性能测试中，往往因测试方法不统一，仪器性能的差别大，操作不规范等等因素，难以得到比较一致、准确的结果。我们根据LED芯片、材料、LED封装、组合LED灯和灯具的各个阶段的不同要求，针对LED特殊的光电特性，对关键的技术问题进行深入的研究和攻关，研制了一系列的LED专用检测设备，并在许多工厂实际应用，取得了较好的效果。
二、 照明用LED的光电性能评价
照明用LED的光电性能主要包括电性能、光安全性能和光色性能等三个方面。
1. 电流/电压参数（正、反向）
LED的电性能具有典型的PN结伏安特性，不同的电流直接影响LED的发光亮度和PN结的结温。在照明应用中,为了获得大功率的LED灯，往往将许多个发光二极管通过一定的串并联方式组合在一起，相关的各个LED的特性必须匹配，在交流工作状态还必须考虑其反向电特性，因此必须测试它们在工作点上的正向电流和正向压降，以及反向漏电流和反向击穿电压等参数。
2. 光通量和辐射通量
发光二极管单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量，也就是光功率(W)。对于照明用LED光源，我们更关心的是照明的视觉效果，即光源发射的辐射通量中能引起人眼感知的那部分当量，称作为光通量ΦV(1m)。光通量ΦV与辐射通量P之间的关系为：
上式中的P(λ)为光源光谱辐射通量；V(λ)为人眼的明视觉光谱光视效率函数，λ2和λ1为上、下限波长。
辐射通量与器件的电功率之比表示LED的辐射效率；光通量与器件的电功率之比表示LED的发光效率，单位lm/W。由于LED是定向出射光，如果从照明效果来评价，其照明性能更明显。LED的出射光到达工作面的有效光通量与总光通量之比表示为LED的光利用系数。显然照明用LED的光利用系数比普通各向发光的照明光源要高一些。
3.光强和发光角
无论是应用于显示或照明工程的LED，其光强及其空间分布都是十分重要的参数。LED灯的定向发光特性，对于某些局部或定向照明往往会达到非常好的照明效果。LED的发光强度指在给定方向上单位立体角内所发射的光通量：
I= dΦ/dΩ（cd）
光强分布曲线如图1所示，是表示LED发光在空间各方向的分布状态。在照明应用中计算工作面的照度均匀性和LED灯的空间布置，光强分布是最基本的数据。对于空间光束为旋转对称型分布的LED，用一个过光束轴平面上的曲线表示即可。对光束为椭圆形分布的LED，则用过光束轴及椭圆形长短轴的两个垂直平面上的曲线来表示。对于非对称的复杂图形，一般用过光束轴的六个以上截面的平面曲线来表示。
发光角（或光束角）通常用半强度角θ1/2表示，即在光强分布图中光强大于等于峰值光强1/2时所包含的光束角度。
4. 光谱功率分布
LED的光谱功率分布表示辐射功率随波长的变化函数，它既确定了发光的颜色，也确定了它的光通量以及它的显色指数。通常用相对光谱功率分布S(λ)表示，如图2所示。光谱功率沿峰值两边下降到其值的50％时，所对应的两个波长之差Δλ＝λ2-λ1，即为光谱带宽。
5. 色品坐标
任何一种光源的颜色均可以用CIE1931XYZ色度系统中的一个坐标点(x,y)来表示，如图3所示。
对于彩色LED，用主波长和色纯度则更能直观地表达发光的颜色特性。LED的主波长表明了颜色的色调，而色纯度则代表了该颜色的鲜艳程度。
照明用LED的色品坐标的容差范围目前还没有相关的标准。建立几种规格的LED色度范围以及相应的容差，对于统一LED的色度及在照明领域的推广使用具有十分重要的意义，就目前的技术现状，照明用LED存在三种技术：
1)兰光芯片，外面涂覆兰光激发的黄绿荧光粉，为了降低色温或改善显色性，可再加入适量的红色荧光粉；
2)紫外光芯片，紫外光激发红、绿、兰几种混合荧光粉发光；
3)红、绿、兰三种芯片的组合，通过不同面积或电流的芯片组合，得到各种色温的白光LED。
照明用LED的颜色均匀性及色度漂移是比较明显的一个问题，尤其是兰光芯片加荧光粉的LED，由于芯片上的荧光粉层不均匀，温度引起的波长偏移及光衰、光输出用封装窗口材料对不同颜色光的色散等，不同方向的光束可能存在较明显的色差。而红、绿、兰芯片组合的白光LED也存在类似问题，温度对不同芯片的影响，芯片光衰的不一致及封装材料对不同颜色芯片的色散等等，都会造成色度的不均匀和漂移。因此在照明用LED制造过程中，必须从设计到生产，工艺各个环节，对上述问题都要严格控制。
6.色温和显色指数
对于白光LED等发光颜色基本为“白光”的光源用色品坐标可以准确地表达该光源的表观颜色。但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起。人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”，比较炽白或稍偏兰的称为“冷色”，因此用色温来表示光源的光色会更加直观。
光源的发光颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，则称黑体的温度为该光源的色温(color temperature) T，单位为开(K)。对于白光LED，其发光颜色往往与各种温度下的黑体（完全辐射体）的色品坐标都不可能完全相同，这时就不能用色温表示。为了便于比较，而采用相关色温(CCT)的概念。也就是当光源的色品与完全辐射体在某一温度下的色品最接近，即在1960CIE-UCS色品图上的色品差最小时，则该完全辐射体的温度称为该光源的相关色温R1。
用于照明工程的LED，尤其是白光LED，除表现颜色外，更重要的特性往往是周围的物体在LED光照明下所呈现出来的颜色与该物件在完全辐射（如日光）下的颜色是否一致，即所谓的显色特性。
1974年CIE推荐了用“试验色”法来定量评价光源显色性的方法，它是测量参照光源照明下和待测光源照明下标准样品的总色位移量为基础来规定待测光源的显色性，用一个显色指数值来表示。CIE规定用完全辐射体或标准照明体D作为参照光源，并将其显色指数定为100，还规定了若干测试用的标准色样。
根据在参照光源下和待测光源下，上述标准色样形成的色差来评定待测光源显色性的好坏。光源对某一种标准色样品的显色指数称为特殊显色指数R1。
R1=100-4.6△Ei
式中△Ei为第i号标准色样在参照光源下和待测光源下的色差。
CIE推荐的标准色样共有14种。其1-8号为中等饱和度、中等明度的常用代表性色调样品，第9至14号样品包括红、黄、绿、蓝等几种饱和色、欧美的皮肤色和树叶绿色。在一些特殊场合使用的LED光源，必须考核其特殊的显色指数。1985年国家制定了“光源显色性评价方法”标准，并增加了中国人女性肤色的色样，作为第十五种标准色样。这对于评价在电视演播室、商场、美容场所等照明用LED光源的显色性尤为重要。
光源对前8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra。
1. 光生物安全性
根据大量的医学研究表明，光学辐射对人体的健康将产生重大影响。当灯和灯系统由于设计、制造不合理，或者使用不当，将直接危害人体健康，尤其是皮肤和眼睛。国际照明委员会(CIE)提出了有关“灯和灯系统光生物安全性”要求的技术报告，IEC也于2002年及时采纳了CIE的报告(CIE S 009/E：2002)，作为灯和灯系统的光生物安全标准.(未完待续)
