LED技術(shù)的應(yīng)用與測量

劉素潔 李張標(biāo)

(寧波市計量測試研究院，寧波 315048)

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LED技術(shù)的應(yīng)用與測量

劉素潔 李張標(biāo)

(寧波市計量測試研究院，寧波 315048)

本文介紹了LED的發(fā)展史，討論了LED在顯示屏、照明及交通等方面的應(yīng)用，最后對LED常用的幾個評價參數(shù)進(jìn)行了說明，旨在讓LED光源引起人們的關(guān)注，推動LED節(jié)能減排新光源的研究。

LED；發(fā)光強度；總光通量；光譜能量分布；發(fā)光效率

0 引言

節(jié)約能源是我們未來面臨的重要的問題，LED(Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管,是一種半導(dǎo)固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，直接發(fā)出紅、黃、綠、青、橙、紫、白色的光。LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，在全球能源日益枯竭的今天受到了越來越多國家的青睞，各國爭相對其進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，必然是未來發(fā)展的趨勢，通過LED的應(yīng)用可以減少電力使用及污染物的排放，同時LED本身易于回收，沒有汞等有害污染問題，因而LED對推進(jìn)節(jié)能減排具有十分重要的意義。本文對LED在顯示屏、照明、交通信號、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用加以說明，對LED測量技術(shù)作了簡要分析，目的是對LED作通俗的介紹，旨在讓LED光源引起人們的關(guān)注，推動LED節(jié)能減排新光源的研究。

1 LED的發(fā)展史

50萬年以前，人類便發(fā)現(xiàn)了火，在電燈發(fā)明以前，燃燒產(chǎn)生的火焰是唯一的人造光源。直到1879年，愛迪生發(fā)明了白熾燈，開創(chuàng)了照明的新紀(jì)元。自此之后，電光源照明開始飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了熒光燈、HID燈和現(xiàn)在的LED。前三種光源經(jīng)過了50～120年的發(fā)展才達(dá)到現(xiàn)在的光效水平，而LED卻有巨大的潛能，不僅可以達(dá)到這些光源的光效水平，甚至可以翻倍。

1962年美國通用電氣公司(GE)半導(dǎo)體實驗室發(fā)明了第一個適用的發(fā)可見光的LED光源，當(dāng)時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光，在驅(qū)動電流為20mA時，光通量只有千分之幾個流明，相應(yīng)的發(fā)光效率僅約0.1lm/W。從70年代初期到中期,引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光、黃光和橙光，光效也提高到1 lm/W。在90年代初，兩種新材料的LED光源被開發(fā)出來，即發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN。這兩種材料的開發(fā)成功，使LED的光效又得到大幅度的提高。圖1是不同材料體系對應(yīng)的LED的發(fā)光光譜。

圖1 不同材料體系對應(yīng)的發(fā)光光譜

2 LED的應(yīng)用

LED與半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為21世紀(jì)最具有發(fā)展前景的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。隨著節(jié)能和環(huán)保要求的不斷提高，LED這種新型光源的適用范圍不斷擴(kuò)大，正在引發(fā)全球性的照明光源和顯示的革命?？傮w說來LED主要應(yīng)用在3個方面，分別是LED顯示屏、LED照明及交通信號燈。

LED顯示屏的應(yīng)用涉及社會經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，如證券交易所的信息顯示，車站、碼頭、機(jī)場航班的動態(tài)信息顯示，體育場館的信息顯示等。LED顯示屏也從單一的顏色發(fā)展到了現(xiàn)在的全彩色，走在街上，隨處可見戶外顯示屏上播放的廣告信息，為夜晚的城市增添了一抹亮麗。隨著LED器件材料性能的不斷提高，全彩色顯示屏的成本下降，應(yīng)用也就不斷地增加，現(xiàn)在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了LED彩電，它比液晶彩電更加的輕薄，相信在不久的將來，它將全面取代液晶彩電。

在LED顯示屏大范圍應(yīng)用的同時，LED作為新型照明光源，近年也取得了突破性發(fā)展。

如今城市建設(shè)步伐加快，戶外照明的數(shù)量與日俱增，隨之而來的能源浪費、光污染等負(fù)面問題，使得政府不得不出臺相關(guān)政策進(jìn)行規(guī)范，倡導(dǎo)節(jié)能經(jīng)濟(jì)、“環(huán)保建城”、“綠色照明”已成為城市建設(shè)的代言。 而作為“綠色照明”的新生力量，LED半導(dǎo)體照明的光源是一種光電轉(zhuǎn)化率極高的冷光源，耗電僅為普通白熾燈的1/10，而壽命卻可以延長100倍，具有發(fā)光純度高、使用安全、免維護(hù)、無污染等優(yōu)點，在提倡綠色環(huán)保、高效節(jié)能的今天，得到了世界各國的大力推廣。

超高亮、大功率的LED器件，在城市交通信號燈中也已得到廣泛的采用。LED信號燈有高亮度、高可靠性、低使用成本、長壽命等特點。此外，LED快速的開關(guān)特性在機(jī)動車尾燈的應(yīng)用上可以得到完美的體現(xiàn)。尤其是剎車燈上的應(yīng)用，它可以給駕駛者提供更多的反應(yīng)時間，提高駕車的安全性。LED的獨特之處是它的壽命很長，這一特性使得它可以應(yīng)用到對長期的穩(wěn)定性能有較高要求的地方，例如交通燈[1]。

3 LED的測量

LED的發(fā)光面小、光束狹窄和亮度高等特點決定了其檢測的特殊性，為了應(yīng)對這個問題，CIE(國際照明委員會)分別成立了“TC2-45 LED測量”和“TC2-46 CIE/ISO LED強度測量標(biāo)準(zhǔn)”兩個技術(shù)委員會，制定并推薦了CIE 127-1997LED測量標(biāo)準(zhǔn)，它涉及LED輻射度、光度和色度測量。但是由于近年來LED的技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是照明用白光LED的產(chǎn)品，許多問題都是過去所未考慮到的，后來又制定了白光LED照明器具標(biāo)準(zhǔn)。

LED照明產(chǎn)品評價體系應(yīng)包括光學(xué)特性、電氣特性、機(jī)械特性、溫度特性、安全特性和老化特性等。其中，光學(xué)特性包括光通量、光分布、亮度、光譜分布、色度坐標(biāo)、顯色指數(shù)等；電氣特性包括工作電壓、工作電流等；溫度特性包括使用環(huán)境溫度、最高結(jié)溫限制等；安全特性主要指產(chǎn)品的防靜電、防水、防塵、防爆以及抗電磁干擾等特性；老化特性主要包括光通量及色度坐標(biāo)隨工作時間的變化等[3]。盡管LED的測量參數(shù)很多，但應(yīng)用最多的是光學(xué)評價參數(shù)，下面針對評價LED特性的最基本的3個參數(shù)進(jìn)行簡單的介紹。

3.1 發(fā)光強度[2-3]

嚴(yán)格說來，發(fā)光強度只適用于點光源。對于LED來講，其發(fā)光面是圓蓋形狀的，光分布呈余弦分布，所以在不同的測量距離下，光強值會變化，偏離距離平方反比定律。即使固定了測量距離，但是由于接收器的接收面積不同，其光強值也會變化。因此，對LED光強進(jìn)行測量時，需要確定測量的參考方向和需要測量的立體角。對于參考方向的選擇可以選取機(jī)械軸、光學(xué)軸和峰值強度軸作為參考軸，目前的標(biāo)準(zhǔn)中一般選取機(jī)械軸作為參考方向。另外，LED的光強分布隨角度的變化而變化，因而LED強度的測量與檢測器的孔徑和形狀有關(guān)，而通過光度計光闌實際上將測試結(jié)果平均化了。

根據(jù)CIE127規(guī)定的幾何條件，光度計光闌應(yīng)為1cm2(圓形)；光度計與被測LED之間的距離為316mm(遠(yuǎn)場)或100mm(近場)。在這樣規(guī)定的幾何條件下使測試結(jié)果具有可重現(xiàn)性和可比性。

3.2 光通量[4]

CIE127-2007文件認(rèn)為，變角光度計和球形光度計均可用于LED總光通量的測量。圖2顯示球形光度計的一種最簡單的形式。目前國外大部分測量用積分球在5.08cm以下，這也是不同實驗室測量不一致性的原因之一，原則上積分球越大越好。在要求精密測量的場合，LED和支架的反射和吸收特性會影響測量精度，要用輔助燈方法加以校正。對于超高亮度LED而言，由于發(fā)射的光和輻射能量大，必須采用合適大小的積分球，不使被測器件有明顯的溫升。

圖2 總光通量測試原理圖

3.3 光譜能量分布

LED光譜能量分布P(l ) 測量是LED顏色相關(guān)光學(xué)特性評價的基礎(chǔ)[7]，通常采用光譜輻射計進(jìn)行測量。目前在世界范圍內(nèi)，大多采用CCD光譜儀加小光纖輸入的形式。通常是用0.3cm2的輸入光纖，而輸入光纖是一個重要誤差源，解決的辦法是采用積分球、光纖組合，可獲得優(yōu)秀的空間均勻性[8]。

3.4 發(fā)光效率

發(fā)光效率正確的表示方法應(yīng)該是用LED的光輸出功率與其消耗的電功率之比，表示LED將電能轉(zhuǎn)化為光能的效率，是一個無量綱量。發(fā)光效能是指光源發(fā)出的光通量除以光源功率所得之商，簡稱光源的光效，單位為流明每瓦特(lm/W)。實際使用中發(fā)光效能也經(jīng)常用發(fā)光效率來稱呼。對于白光LED器件或照明燈具來講，影響其發(fā)光效率的因素主要包括LED芯片的量子效率、熒光粉的轉(zhuǎn)換效率、LED器件的光提取效率或燈具的光能利用效率以及器件或燈具的散熱能力，其中器件的量子效率與器件的結(jié)溫直接相關(guān)。

4 結(jié)束語

作為新一代光源，LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明、道路照明和城市夜景等領(lǐng)域。而且隨著制造成本的下降和技術(shù)的不斷完善，LED的優(yōu)勢將越來越明顯，應(yīng)用也將越來越廣泛，相信其取代傳統(tǒng)光源的日子已為時不遠(yuǎn)。

[1] Sameh Sarhan and Chris Richardson. A matter of light,Part 1—The ABC’s of LEDs.Global Sources

[2] 馬文波,鄭代順. LED照明產(chǎn)品測試標(biāo)準(zhǔn)討論[J].中國照明,2007(7)

[3] 呂正.LED光強測量中有待商榷的若干問題[J].計量技術(shù),2006(7)

[4] 鮑超.超高亮度LED測量問題[J].液晶與顯示,2003(8)

[5] 姜啟鵬.大功率高強度氣體放電燈光通量的測量[J]. 計量技術(shù),1993(4)

[6] GB/T 26178—2010/CIE 84-198,光通量的測量方法

[7] 中國光協(xié)光電子行業(yè)協(xié)會光電器件分會.發(fā)光二極管測試方法.試行,2002

[8] Miller C,Ohno Y. Lumino us intensity measurement of LEDs at NIST. Proc.2nd CIE Expert Symposium on LED Measurement.Gaithersburg,Maryland,USA,2001

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.10