１概述

    自１９７６年第一個紅光ＬＥＤ問世以來，經(jīng)過3０年的發(fā)展，ＬＥＤ已形成各種光譜系列產(chǎn)品，單個ＬＥＤ的功率也從最初的零點零幾瓦發(fā)展至幾瓦乃至數(shù)十瓦。２００１年白光ＬＥＤ研制成功，人們期待ＬＥＤ最終能進入照明領域，甚至進入家庭照明。最新白光ＬＥＤ的研究成果更是激動人心。小功率ＬＥＤ的發(fā)光效率已達１００l(fā)m/W。特別是ＲＧＢ－ＬＥＤ的研究結果表明，ＬＥＤ也與常規(guī)三基色熒光燈一樣，可以獲得各種不同的色溫和均勻的照明環(huán)境。

    ＬＥＤ光源的進展和人們對它在照明領域中應用的期待，也對相應的光學檢測技術有了新的要求。由于ＬＥＤ的光學特性與傳統(tǒng)光源有較大差別，需要研究開發(fā)適應這種新型光源的測量方法。

２國際照明委員會（ＣＩＥ）技術委員會（ＴＣ）相關ＬＥＤ的技術特性研究

    國際照明委員會（ＣＩＥ）的兩個分部：Ｄ１（視覺和顏色分部）、Ｄ２（光和輻射測量分部），正在研究白光ＬＥＤ的顯色性和相關的計量問題，并已轉發(fā)Ｄ１∶ＴＣ１－６５，ＴＣ１－６２這兩個研究色表的目視測量和ＬＥＤ的顯色性的文件草案。

    ＴＣ１－６２文件《ＣｏｌｏｕｒＲｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆＷｈｉｔｅＬＥＤＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓ》可能部分替代ＣＩＥ１３．３－１９９５出版物。這兩個文件已進入投票階段。

    ＴＣ１－６２文件《ＣｏｌｏｕｒＲｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆＷｈｉｔｅＬＥＤＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓ》介紹了白光ＬＥＤ顯色指數(shù)ＣＲＩ的目視實驗結果。ＣＩＥ１３．３－１９９５出版物中規(guī)定了ＣＲＩ的計算方法，如果白光ＬＥＤ對ＣＲＩ進行計算的結果與目視結果有矛盾，文件確定存在這一矛盾。技術報告的結論是：應用包括白光ＬＥＤ在內的顯色性計算時，ＣＩＥＣＲＩ并不適用。技術委員會建議Ｄ１建立一組新的顯色指數(shù)，這些顯色指數(shù)不立即替代目前的ＣＩＥ顯色指數(shù)計算方法。新的顯色指數(shù)作為ＣＩＥＣＲＩ的補充，在成功地應用組合新的顯色指數(shù)后才能確定替代目前ＣＲＩ的計算方法。Ｄ２成立專門的技術委員會ＴＣ２－４５研究ＬＥＤ的測量方法：ＴＣ２－４５文件《Ｍｅａ-ｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＬＥＤＳ》正在投票中，它將會替代ＣＩＥ１２７出版物。

３ＬＥＤ發(fā)光效率極限值

    長期以來，半導體研究專家探索各種新技術以提高ＬＥＤ的內、外量子效率，２００６年已有小功率白光ＬＥＤ發(fā)光效率達１００ｌｍ/Ｗ的報導。為確定合理的ＬＥＤ發(fā)光效率期待值，需要從光度學、色度學的基礎上計算ＬＥＤ發(fā)光效率極限值。

    １９７９年１０月，第十屆國際計量大會（ＣＧＰＭ）定義了新坎德拉（ｃｄ）�？驳吕ǎ悖洌榘l(fā)出單色輻射頻率５４０．０１５４×１０１２Ｈｚ（波長５５５ｎｍ）的光源在給定方向上的發(fā)光強度，在該方向上的輻射強度為：

    １ｃｄ＝（１/６８３）Ｗ/ｓｒ（波長５５５ｎｍ）；

    １ｃｄ＝１ｌｍ/ｓｒ；

    １Ｗ＝６８３ｌｍ（波長５５５ｎｍ）。

    如果忽略供電損耗、內量子效率、外量子效率數(shù)值，可以計算出各種光源和ＬＥＤ的發(fā)光效率極限值。

　　圖１為人眼光譜光效率及理想等能白光的光譜功率分布。由于人眼的光譜響應特性，理想等能白光經(jīng)加權計算后，可以得到在可見光譜范圍內的理想等能白光極限發(fā)光效率為１８２．４５ｌｍ/Ｗ。

    在照明領域中，一種新型光源的誕生，其壽命、光效是重要的質量指標，但它對各種顏色的顯色特性是照明光環(huán)境的另一重要質量指標。低壓鈉燈的２條黃色光譜線的理論發(fā)光效率可達４５０ｌｍ/Ｗ（如圖2所示），實際光效超過２００ｌｍ/Ｗ。但由于它的顯色特性差，最終被高壓鈉燈、金鹵燈所替代。

    考察ＬＥＤ這一新型光源，在犧牲一些顯色性指數(shù)Ｒａ的條件下與理想等能白光比較，白光ＬＥＤ的極限發(fā)光效率還會高一些，大約在２００ｌｍ上下。對于一個實際應用于照明領域中的白光ＬＥＤ，發(fā)光效率的目標值設定在１５０～１６０ｌｍ/Ｗ是合理的。

    除了照明應用的白光ＬＥＤ外，各種光譜的ＬＥＤ的發(fā)光效率也可根據(jù)圖２所示的數(shù)據(jù)進行估算。圖３是紅、綠、藍（６４３ｎｍ，５３５ｎｍ，４６０ｎｍ）ＬＥＤ的極限發(fā)光效率值。

４ＬＥＤ與傳統(tǒng)光源的比較

    （１）ＬＥＤ體積小，有各種不同的外形尺寸，適用于不同應用場所（如圖４所示）。

    （２）ＬＥＤ具有多種顏色，紫外、紫色、綠色、黃色、紅色到紅外，白光ＬＥＤ光譜如圖５所示。

    （３）ＬＥＤ光學參數(shù)與溫度有關（如圖６、圖７所示）；

    （４）ＬＥＤ光學參數(shù)與觀察角度有關；

    （５）ＬＥＤ有各種不同的配光曲線，而且沒有確定的光軸（如圖８所示）。

    ＬＥＤ的上述特性，給ＬＥＤ光學特性的測量帶來很多問題。

５ＬＥＤ光學特性的測量

    ＬＥＤ的光學特性檢測應從下面幾個特性來考慮：

    （１）發(fā)光強度；

    （２）總光通量；

    （３）光譜特性、色品坐標、主波長；

    （４）發(fā)光強度的空間分布和總光通量。

    ５．１發(fā)光強度

    由于ＬＥＤ的結構特點，為提高其發(fā)光效率，在其底部配裝反射器，實際上它本身就是一個燈具。各個區(qū)域發(fā)出的光線有不同的聚焦點，它并不是一個點光源。因此，在評價ＬＥＤ發(fā)光強度時，光度學中的距離平方反比定律不適用。ＣＩＥ１２７出版物中規(guī)定了兩種目前國際公認的測量條件如圖９、圖１０所示。

    應用上述兩種測量條件的測量結果能進行國際間的對比。Ａ和Ｂ測量條件并不嚴格按照發(fā)光強度的定義進行，因此被稱為“平均發(fā)光強度”（ＡＬＩ）。

    關于測量探測器的修正：由于測量探測器Ｖ（?姿）的配匹誤差將造成“平均發(fā)光強度”（ＡＬＩ）的測量誤差（如圖１１所示），Ｖ（?姿）的配匹誤差對紅、藍ＬＥＤ的測量結果影響更為嚴重，采用光譜修正方法可以提高測量精度。

　　探測器光譜匹配誤差的修正與色校正系數(shù)（ＣＣＦ）的計算：

    Ｅｓ＝ｋ■Ｐｓ（?姿）Ｖ（?姿）ｄ?姿（１）

    Ｐｓ（?姿）為標準光源的相對光譜功率分布；

    Ｅｃ＝ｋ■Ｐｃ（?姿）Ｖ（?姿）ｄ?姿（２）

    Ｐｃ（?姿）為待測光源的相對光譜功率分布；

    ■＝■＝ｋ■（３）

    Ｓ（?姿）為探測器的相對光譜靈敏度，為測量標準光源和待測光源的信號值，精確的照度值為：

    Ｅｃ＝ｋ■Ｅｓ（４）

    對ＬＥＤ發(fā)光強度測量儀器的要求：

    （１）測量立體角要正確

    ｄΩ＝０．００１ｓｒ（Ａ條件）

    ｄΩ＝０．０１ｓｒ（Ｂ條件）

    （２）測量機械軸正確；

    （３）有效的防雜散光設計；

    （４）精密的Ｖ（λ）光探測器；

    （５）提供Ｖ（λ）光探測器光譜數(shù)據(jù)，便于修正測量值；

    （６）配備高穩(wěn)定性的供電電源。

    ５．２ＬＥＤ光通量的測量

    應用分布式光度計可對ＬＥＤ總光通量進行精確測量（探測器光譜響應曲線已修正的條件下）。這是ＬＥＤ總光通量的絕對測量方法，但測試儀器昂貴，工業(yè)中常用積分球進行測量。

    （１）積分球的尺寸盡可能大，可減少擋屏吸收及異物誤差；

    （２）鍍層表面反射比越大，球內表面的響應率差異越少。目前在ＬＥＤ測試中，鍍層表面反射比甚至大于９８％。

    （３）注意被測ＬＥＤ的安裝位置，應將發(fā)射的光線對準積分球內表面響應均勻的區(qū)域；

    （４）應用輔助光源減少擋屏吸收及異物誤差。

    ５．３光譜特性、色品坐標、主波長的測量

    根據(jù)國際照明委員會（ＣＩＥ）三次ＬＥＤ國際專家會議的技術交流和相關國際對比結果，現(xiàn)建議如下：

    （１）國家計量部門應該采用雙單色儀測量系統(tǒng)；

    （２）單色儀測量系統(tǒng)可滿足工業(yè)部門應用；

    （３）１ｎｍ和５ｎｍ光譜測量帶寬的色度測試結果比較接近，可采用５ｎｍ帶寬測量；

    （４）主波長的對比測量差別很��；

    （５）ＣＣＤ測量儀器相對誤差較大。

　　圖１２是一些國際對比結果：ＣＣＤ儀器對白光ＬＥＤ的測量對比。

６標準ＬＥＤ

    ６．１ＬＥＤ光學特性測量的理論與技術基礎

    （１）根據(jù)以上對ＬＥＤ光學特性的分析，國家計量部門和工