功率型白光LED器件光色测量方法浅述

随着半导体照明产业迅速发展，LED以其饱满光色、节能、光效高、电压低、寿命长等优势，已成为全球最热门、最瞩目的光源，特别是近年来LED的发光效率和亮度正在大幅度提高，LED必将成为应用最广泛的照明光源。如今，LED已经渗透到了大量的应用场合，尤其是白光LED技术的不断进步，LED在照明领域的应用也已经越来越普及。

普通照明LED，即白光LED。实现白光的技术途径主要有两条：第一用LED发出的蓝光激发荧光粉，再与荧光粉发出的“黄光”进行混光，最终得到白光;第二采用红、绿、蓝三基色LED芯片组合生成白光。

LED是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统等组成。LED的基本工作原理是一个电光转换过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向外辐射，电子和空穴的能量差越大，产生的光子的能量就越高。能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜色就不同。

但是注入LED器件的电能中，仅有约15%的电子和空穴为辐射复合，发出光子，而大约85%的电能则转化为热能。LED的热性能直接影响其发光效率、波长、正向压降、反向击穿电流和器件的使用寿命等。传统的Φ3mm和Φ5mm的LED器件由于驱动电流小、发热少，热性能影响不显著。近年来，随着功率型LED器件的迅速发展，LED热性能的影响越来越明显，受到人们的普遍关注。

一、常见LED的光色参数

1.光通量

光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即辐射功率(或辐射通量)能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。光通量的符号为Φ，单位为流明(lm)。根据光谱辐射通量Φ(λ)，由下式可确定光通量。

式中V(λ)为相对光谱光视效率，Km为辐射的光谱光视效能的最大值，单位为lm/W，1977年由国际计量委员会确定Km值为683 lm/W(λm=555nm)。

2.光强度

光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角元dΩ内传输的光通量dΦ除以该立体角元之商，即

发光强度的单位是坎德拉(cd)，1 cd=1 lm/1sr。空间各个方向的光强之和就是光通量。

3.颜色参数

颜色参数主要包括光谱、色品坐标、主波长和色纯度、色温和相关色温、显色性和显色指数等，如图1所示。

目前已进入工业化生产的“白光”LED，其光谱混合是不均匀的，其颜色分布像光强分布曲线一样，是随距离和角度的不同而发生变化的。

二、 LED热性能测试的参数及方法难点

LED的热性能参数主要是指结温、热阻、瞬态变化曲线等。LED的结温是指PN结的温度，LED的热阻一般是指PN结到壳体表面之间的热阻。结温是直接影响LED的工作特性的参数，热阻则是表示LED散热性能好坏的参数。研究表明，LED的热阻越低其散热性能越好，相应的LED光效一般也越高，寿命越长。检测热学特性的关键在于对LED结温的准确测量，现有的对LED结温的测试一般有两种方法：一种是采用红外测温法测得LED芯片表面的温度并视其为LED的结温，但是准确度不够;另一种是通过温度敏感参数(TSP)获取PN结温，这是目前较普遍的LED结温测试方法，其技术难点在于对测试设备要求较高。

结温高低对LED的光输出影响显著，温度越高，被测LED的工作电压越小，光通量、光功率都逐渐减小。

三、光色测量方法

1.光通量

目前有两种光通量测量方法，一种是积分球法，一种是分布光度计方法。

积分球法是一种普遍的使用方法，利用LED的前向发光特性，有些积分球采用2p结构测量。为了消除光谱匹配误差，采用光谱辐射分析仪作为接收探头。为了消除结温变化的影响，采用具有恒温功能的LED测试座装夹LED样品(图2)。积分球方法测量具有速度快、无外界杂散光影响等优点，但是由于积分球内的挡屏、接缝、球壁开孔、喷涂效果等因素影响导致积分球响应不均匀，对于测量LED这种窄光束光源不确定度较大。

图2 德国Instrument systems公司生产的积分球测试系统

因此，对于高精度测量要求，往往采用分布光度计方法测量(图3)。分布光度计方法具有响应均匀，测量精度高等优点，但是存在杂散光干扰等因素影响。此外，考虑到白光LED色空间不均匀性，当使用分布光度计方法测量光通量时，也可以采用光谱辐射分析仪作为测量探头，消除探头的光谱匹配误差。而且，采用光谱辐射分析仪测量不仅可以测量被测LED的光强分布，同时可以测量颜色分布。

图3 德国Instrument systems公司生产的小型分布光度计

2.光强度

考虑到LED的特殊性，如光束窄，不能简单应用距离平方反比定律等因素，CIE规定了LED的平均光强参数(图4)。简单而言就是在两种条件下测量LED平均光强，即CIE-A条件和CIE-B条件。

3.颜色参数

色品坐标等简单颜色参数既可以采用色度计测量也可以采用光谱辐射分析仪测量，但是诸如显色指数等参数的测量则必须采用光谱辐射分析仪测量。采用光谱辐射分析仪测量既可以消除光谱匹配误差，又能够测量所有颜色参数。

四、测试环境条件

在LED测试中，通常供电采用恒流方式，几何条件和环境温度条件也极为重要。如果在测量光强分布曲线时，不注意被测量的平面，或虽是同一平面但机械轴心对准出了问题，将出现更大的测量误差。

此外，LED光源是一个温度依赖性较强的光源，温度的上升可能会导致LED发光峰值波长的红移和光输出的快速衰减。因此，在LED测试中保持对环境温度的有效控制(采用恒温积分球)，采取对LED自身温度的监测是十分有必要的。

五、结论

鉴于功率型白光LED的特殊性，必须采用科学合理的测量方法才能消除各个实验室测试LED的差异，并加强实验室之间的沟通，培养专业测试人员，提高质检机构的装备水平和检测能力，使测量结果更具科学性、可比性、重复性。

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