LED照明與光色測量

　　摘 要：固體照明是未來照明的主導(dǎo)方向，而LED照明又是固體照明的主要組成部分，是理想的下一代照明器件。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開光色測量技術(shù)。文章從LED照明的發(fā)展要求出發(fā)，對LED照明的光色測量進行了介紹。

　　關(guān)鍵詞：LED照明；光色測量；照明評價；

　　1、前言：發(fā)光二極管（LED）作為新興的發(fā)光體，具有電光效率高、體積小、壽命長、電壓低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，是新一代照明的首選器件。LED的發(fā)展受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。近年來，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光效不斷增加，亮度不斷提高。如今，LED已經(jīng)在眾多場合得到大量應(yīng)用，尤其是白光LED技術(shù)的不斷進步，使其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸普及。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如圖1所示。

　　2、LED的工作原理：發(fā)光二極管（LED）是一種能把電能轉(zhuǎn)化為光能的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由ＰN結(jié)芯片、電極和光學(xué)等系統(tǒng)組成。LED的基本工作原理是一個電光轉(zhuǎn)換的過程，當(dāng)一個正向偏壓施加于ＰN結(jié)兩端，由于ＰN結(jié)勢壘的降低，Ｐ區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子也向Ｐ區(qū)擴散，同時在兩個區(qū)域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子相對不穩(wěn)定，對于ＰN結(jié)系統(tǒng)，注入到價帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，電子和空穴的能量差越大，產(chǎn)生的光子能量就越高。能量級差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長就不同，相應(yīng)的光的顏色就會不同。LED工作原理如圖2所示。

　　3、LED的光參數(shù)

　　3.1 光通量：光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量，即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。光通量的符號為Φ，單位為流明（LM）。根據(jù)光譜輻射通量Φ（λ），由下式可確定光通量：Φ=Km■Φ（λ）gV（λ）dλ
式中，Ｖ（λ）—相對光譜光視效率；Km—輻射的光譜光視效能的最大值，單位為LM/W。1977年由國際計量委員會確定Km值為683Lm/W（λM＝555NM）.

　　3.2 光強度：光源在給定方向上的發(fā)光強度I是該光源在該方向的立體角元內(nèi)傳輸?shù)墓馔浚洇党栽摿Ⅲw角元ｄΩ之商，即：
I=■發(fā)光強度的單位是坎德拉（Cｄ），1Cｄ＝1LM/1ｓｒ?？臻g各個方向的光強之和就是光通量。

　　3.3 光亮度：光源發(fā)光表面上某一點處的亮度L，是該面元ｄＳ在給定方向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積之商，即：L=■單位為坎德拉每平方米（Cｄ/M2）。當(dāng)發(fā)光表面與測量方向垂直時，則Cｏｓθ＝1。

　　3.4 光照度：表面上一點的照度E是入射在包含該點面元上的光通量ｄΦ除以該面元面積ｄＳ之商。即：E=■單位為勒克斯（Lｘ），1Lｘ＝1LM/M2。

　　3.5 其他參數(shù)：LED的光參數(shù)還包括：光譜、色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等。

　　4 LED光色測量的必要性

　　4.1 避免危害：LED與傳統(tǒng)的照明燈不同，它具有點光源、高亮度、窄光束輸出等特點。當(dāng)LED應(yīng)用于照明器具時，如果對出光角不加以嚴格的控制就會產(chǎn)生強烈的眩光，某些高亮度LED產(chǎn)品甚至?xí)θ梭w造成光輻射危害。光色測量可為LED的安全使用提供指導(dǎo)。

　　4.2 促進LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：LED的光色測量能提供大量的實驗數(shù)據(jù)，可作為判定LED產(chǎn)品合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，并可為改進LED的設(shè)計、制造提供依據(jù)。

　　5 LED的光色測量方法

　　5.1 光通量的測量

　　5.1.1 積分法：測得LED在各個方向的光強，然后對這些光強值進行計算，從而得到LED的總光通量（如圖3所示）。
5.1.2 積分球法：積分球又稱為光通球，是一個中空的完整球殼。內(nèi)壁涂白色漫反射層，且球內(nèi)壁各點漫射均勻。光源在球壁上任意一點上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可知，球面上任意一點的光照度為與光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈進行比較得到被測燈的光通量，如圖4（a）所示。但是由于標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈的物理結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)的不同（如吸收），在利用積分球法測試光通量時需要對測試結(jié)果進行修正，可采用輔助燈的方法，如圖4（b）所示。