紫外發(fā)射二極管輻射度測試方法

周鋼 劉秀娟 張嘉盈 吳杜雄

開發(fā)設(shè)計(jì)

紫外發(fā)射二極管輻射度測試方法

周鋼1劉秀娟2張嘉盈3吳杜雄3

（1.深圳賽西信息技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518057 2.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176 3.廣州賽西標(biāo)準(zhǔn)檢測研究院有限公司，廣東 廣州 510700）

受國家節(jié)能環(huán)保政策及新型冠狀病毒肺炎疫情等因素影響，紫外發(fā)射二極管憑借自身優(yōu)勢在市場上廣泛普及，但存在輻射度測試標(biāo)準(zhǔn)缺失問題。制定紫外發(fā)射二極管輻射度測試方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析測試儀器及評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求，開展相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，為紫外發(fā)射二極管的產(chǎn)品質(zhì)量提供測評(píng)手段。

紫外發(fā)射二極管；輻射度；測試方法

0 引言

紫外發(fā)射二極管（ultraviolet emitting diode, UV LED）是指在一定電流激勵(lì)下，可發(fā)射紫外光的半導(dǎo)體二極管。UVLED具有節(jié)能環(huán)保、體積小、結(jié)構(gòu)牢固、易控制等特點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)紫外光源，廣泛應(yīng)用于紫外固化、衛(wèi)生消毒、分析測試、防偽檢測、醫(yī)療診斷和環(huán)境凈化等領(lǐng)域。2017年8月正式實(shí)施的《關(guān)于汞的水俁公約》限定了汞的使用、排放以及2020年新型冠狀病毒肺炎疫情在全球迅速蔓延，都為UVLED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供重要契機(jī)。

雖然紫外輻射小劑量時(shí)對(duì)人體無害，但大劑量時(shí)會(huì)給眼睛及皮膚造成危害[1]，如皮膚紅斑、晶狀體白內(nèi)障、光致角膜炎、電光性眼炎等。近年來，隨著UV LED的生物效應(yīng)越來越受到重視，評(píng)價(jià)UV LED產(chǎn)品質(zhì)量的輻射度指標(biāo)也倍受關(guān)注。

1 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

UV LED的核心部分是由P，N型半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)，當(dāng)正向電流導(dǎo)通PN結(jié)時(shí)，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出紫外光。UV LED工作機(jī)理不同于汞燈等傳統(tǒng)紫外光源，現(xiàn)有的紫外光源國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)不適用于UV LED輻射度測試，如QB/T 2989—2008《紫外線高壓汞燈紫外輻照度及電參數(shù)測量方法》等[2]。UV LED的紫外波長為（200～400）nm，普通LED的可見光波長為（380～780）nm，普通LED的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定可見光的光度、色度等測試，不涉及紫外輻射度測試。因此，現(xiàn)有普通LED的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)也不適用于UV LED輻射度測試，如SJ/T 11394—2009《半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法》等[3]。

研究UV LED輻射度測試方法，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定測試條件、測試儀器、評(píng)價(jià)指標(biāo)等，可為產(chǎn)品技術(shù)評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制提供有力依據(jù)，對(duì)促進(jìn)UVLED行業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。

2 測試儀器

2.1 積分球-光譜儀系統(tǒng)

UV LED輻射度測試方法可分為相對(duì)法與絕對(duì)法。其中，積分球-光譜儀系統(tǒng)采用相對(duì)法測試輻射度；測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)采用絕對(duì)法測試輻射度。

積分球-光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。積分球裝有輔助燈，用于測試UV LED及球內(nèi)物件的自吸收系數(shù)，輔助燈光譜與UV LED光譜接近，且輻射通量不隨時(shí)間而變化。積分球內(nèi)壁為無光譜選擇性、無熒光的漫反射涂層，有較強(qiáng)的耐紫外線能力，可避免黃化現(xiàn)象。推薦涂層使用反射率為0.85以上的涂料，以使積分球具有更好的光譜性能和更好的穩(wěn)定性[4]。積分球內(nèi)部的所有物件，如擋板、UV LED安裝支架、輔助夾具等，都會(huì)影響測試結(jié)果，因此它們外形尺寸應(yīng)盡可能小，且具有紫外高反射率的表面。推薦積分球內(nèi)部的所有物件選用的涂料表面反射率在0.85以上，且具有無光譜選擇性和漫反射特性。

圖1 積分球-光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光譜儀要覆蓋UV LED的紫外波長范圍，且具有線性響應(yīng)度；可采用雙單色儀或單單色儀，并符合GB/T 26179—2010《光源的光譜輻射度測量》的要求，帶寬不大于2 nm，波長分辨率不大于0.2 nm[5]。積分球-光譜儀系統(tǒng)進(jìn)行總光譜輻射通量的標(biāo)定后，可測試輻射通量、輻射效率、峰值波長、中心波長、光譜半寬等。

2.2 測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)

測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。測角儀的角度掃描范圍需覆蓋UV LED的全部輻射空間角度，準(zhǔn)確度應(yīng)在±0.5°之內(nèi)，角度分辨力≥0.1°。

圖2 測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在一些角度區(qū)域內(nèi)，UV LED發(fā)出的紫外輻射可能被測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)遮擋，使這些紫外輻射無法被紫外探頭接收。通過推算立體角包含的這一角度區(qū)域內(nèi)的輻射照度分布，可對(duì)UV LED的總輻射通量進(jìn)行修正。

測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)置于光學(xué)暗室中，以避免雜散光影響測試結(jié)果。光學(xué)暗室中所有物件表面采用紫外低反射材料，不存在熒光現(xiàn)象。該系統(tǒng)采用溯源至SI單位的氘燈進(jìn)行光譜輻射照度的標(biāo)定后，可測試輻射強(qiáng)度、輻射強(qiáng)度分布、半強(qiáng)度角、輻射通量、輻射效率、峰值波長、中心波長、光譜半寬等。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 輻射照度

在光學(xué)暗室中，采用具有光譜輻射照度功能的紫外光譜儀直接測試UV LED的輻射照度，測試原理如圖3所示。UV LED與紫外探頭之間設(shè)置不同孔徑的光闌，以避免雜散光影響測試結(jié)果。

圖3 輻射照度測試原理

測試UV LED的輻射照度時(shí)，UV LED與紫外探頭之間的測試距離按CIE 127：2007《LED測量》推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件A或條件B設(shè)置，如表1所示。在這2種條件下，紫外探頭都要求有一個(gè)面積為100 mm2的圓入射孔徑。

表1 CIE 127推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件A或條件B

3.2 輻射強(qiáng)度、輻射強(qiáng)度分布和半強(qiáng)度角

在測試距離不小于UV LED輻射面最大尺寸10倍的遠(yuǎn)場條件下，采用測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)直接測試UV LED的不同空間角度輻射照度，根據(jù)輻射照度與測試距離平方反比關(guān)系，按式(1)計(jì)算輻射強(qiáng)度。

3.3 輻射通量和輻射效率

采用積分球-光譜儀系統(tǒng)或測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)測試輻射通量。當(dāng)測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)的測試死角（機(jī)械結(jié)構(gòu)遮擋）不影響輻射通量的準(zhǔn)確度時(shí)，可采用該系統(tǒng)測試輻射通量[6]。

積分球-光譜儀系統(tǒng)根據(jù)已知光譜輻射通量的標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定比較后，直接測試UV LED的光譜輻射通量，并按式(3)計(jì)算UV LED的總輻射通量[7]。

UV LED與標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜、尺寸、外形等有較大差異時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較大測試誤差，需用自吸收修正系數(shù)按式(4)、式(5)修正測試結(jié)果。

測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)直接測試不同空間角度UV LED的輻射照度分布，采用輻射照度積分法，按式(6)計(jì)算UV LED的總輻射通量。

根據(jù)積分球-光譜儀系統(tǒng)或測角儀-紫外探頭-光譜儀測試UV LED的總輻射通量與其消耗的電功率的比值，按式(7)計(jì)算輻射效率。

3.4 峰值波長、中心波長和光譜半寬

圖4 相對(duì)光譜輻射功率分布曲線圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

分別選取2個(gè)385 nm UV-A LED（1號(hào)、2號(hào)）、275 nm UV-C LED（3號(hào)、4號(hào)）為測試對(duì)象，采用積分球-光譜儀系統(tǒng)測試其峰值波長、輻射通量、輻射效率等指標(biāo)。測試中，測試場所應(yīng)保持清潔干凈，無腐蝕性氣體，周圍環(huán)境無影響測試儀器正常工作的粉塵、震動(dòng)和電磁場的干擾。測試儀器及UV LED達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行測試。判定UV LED穩(wěn)定工作的條件為：在15 min內(nèi)，紫外輻射（輻射通量、輻射照度或輻射強(qiáng)度）變化小于0.5%。UV LED的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 UV LED的測試數(shù)據(jù)

由表2可知：UV-C LED的輻射效率遠(yuǎn)低于UV-A LED的輻射效率，且兩者的輻射效率相對(duì)于普通LED較低。

UV LED大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，應(yīng)注重改進(jìn)應(yīng)用材料及封裝方式，以不斷提高輻射效率；同時(shí)加強(qiáng)

UV LED散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以改善UV LED使用壽命。

5 結(jié)語

針對(duì)UV LED缺失輻射度測試標(biāo)準(zhǔn)問題，本文提出制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建議，從測試儀器及評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面進(jìn)行分析，通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證UV LED輻射度測試方法可行性，為UV LED的產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。由于UV LED的發(fā)射波長短，輻射能量大，其紫外輻射對(duì)人眼和皮膚具有一定的光生物危害。在測試時(shí)，應(yīng)減少皮膚裸露并佩戴紫外防護(hù)眼鏡及穿防護(hù)服進(jìn)行保護(hù)，也應(yīng)注意其他儀器受到UV LED紫外輻射造成的老化等問題。

[1] 王震.紫外輻射通量的測量研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[2] 全國照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).QB/T 2989―2008紫外線高壓汞燈紫外輻照度及電參數(shù)測量方法[S].北京:中國輕工業(yè)出版社, 2008.

[3] 工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所. SJ/T 11394—2009半導(dǎo)體發(fā)光二極管測試方法[S].北京:中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,2009.

[4] 林金強(qiáng).積分球法測量LED光通量的可靠性研究[D].廈門:廈門大學(xué),2013.

[5] 全國照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 26179—2010光源的光譜輻射度測量[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[6] 萬小玲，楊靜華.影響積分球-光譜儀系統(tǒng)測試結(jié)果的因素分析[J].中國照明電器,2018(11):37-40.

[7] 宋立,李倩,陳聰,等.紫外LED輻射通量測量的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)[J].照明工程學(xué)報(bào),2019,30(5):107-110.

[8] 李偉銘,柳挺,黃河山,等.半導(dǎo)體照明產(chǎn)品的光通量測量方法研究[J].電子測試,2019(2):73-75.

Test Method for Emittance of Ultraviolet Emitting Diodes

Zhou Gang1Liu Xiujuan2Zhang Jiaying3Wu Duxiong3

(1.Shenzhen CESI Information Technology Co., Ltd. Shenzhen 518057, China 2.China Electronics Standardization Institute, Beijing 100176, China 3.CESI (Guangzhou) Standards & Testing Institute Co., Ltd. Guangzhou 510700, China)

Affected by the national energy conservation and environmental protection policy and COVID-19 epidemic, prompting UV LED to be popular in the market, but the lack of radiance test standards, it is necessary to formulate industry standards of UV LED radiance measuring method, analyze the requirements of equipment and evaluation indicators, carry out relevant tests and verification, and provide evaluation means for the quality of UV LED.

UV LED; radiance; measuring method

周鋼，男，1981年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：光電標(biāo)準(zhǔn)化及檢測。E-mail: zhougang@cesi-gz.org.cn

劉秀娟，女，1983年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：半導(dǎo)體光電和顯示標(biāo)準(zhǔn)化。E-mail: liuxiujuan@cesi.cn

張嘉盈，女，1998年生，本科，主要研究方向：標(biāo)準(zhǔn)化。E-mail: zhangjy@cesi-gz.org.cn

吳杜雄（通信作者），男，1986年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：光電標(biāo)準(zhǔn)化及檢測。E-mail: wudx@cesi-gz.org.cn

TN23

A

1674-2605(2021)04-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.04.006