引言

　　LED 技術雖然已經有40 多年的發展歷史,在產業界依然存在LED 光學參數測試再現性差,測量不確定度大,不同測試裝置之間的測試結果一致性差等現象[1～3 ] 。究其原因,如同國內對LED 產業存在多頭管理,國際上也一樣: 國際半導體設備與材料組織(SEMI) ,國際電工委員會( IEC) 和國際照明委員會(CIE) 都程度不同地涉及到LED ,尤其是后兩個委員會。正是由于LED 的相關測量標準是由國際上不同的標準化組織制定的,而且各個國際組織總體上沒有系統的規劃,相關組織間也沒有充分協商,因而存在不同的質量評價體系,所頒文件的技術內容也不盡相同。IEC 成立于1906 年,它把LED 作為一個顯示用半導體器件處理,側重于它的物理特性。CIE 成立于1913 年,它更多地把LED 作為一個光源器件處理,所以導致各自的LED 測量標準之間存在微小的差異。本文試圖通過比較各自的標準,找出兩者的不同之處,以便為LED 測試方法標準的最終定稿提供一些參考。

　　1 　CIE 和ICE 對同一事件的不同表述

　　1.1 　發光(輻射) 效能的定義

　　首先,必須修正對這個術語的誤解,發光(輻射)效率(efficiency) 用在此文中是不妥的,因為效率是指無量綱的物理量,而此處是有量綱的。所以,正確的叫法是“發光(輻射) 效能(efficacy) ”。

　　發光(輻射) 效能的定義:

　　CIE 定義:LED 發出的光通量(輻射通量) 與耗費電功率之比。

　　IEC 定義:LED 發出的光通量(輻射通量) 與耗費正向電流之比[4 ] 。

　　評論:CIE 的發光效能要測3 個物理量:總光通量,正向電流,正向電壓(或內阻) 。而IEC 只需測量兩個物理量:總光通量、正向電流。它沒有選擇正向電壓是很明智的,因正向電壓會隨管芯溫度的升高而下降。作者認為,IEC 的定義是不夠嚴謹的。因為即使對于同一批次的管芯和封裝,管芯的內阻及端電壓存在微小差異,所以僅適用于對發光(輻射) 效能允許有一定變動范圍的情況。這樣測試時間將縮短,因只需測量兩個物理量。

　　1.2 　發光強度的測量距離

　　CIE[5 ] 規定了發光強度的測量距離有兩種:遠場(條件A) 為316mm ,對應的立體角為01001Sr ; 近場(條件B) 為100mm ,對應的立體角為0101Sr :兩者之間可以相互轉換,遠場測量結果乘以10 就得到近場測量結果。

　　IEC[6 ]規定的測量距離僅為近場(條件B) ,立體角< 0101Sr ; (為什么不寫等于0101Sr ?) 。

　　對測量距離,CIE 明確規定從LED 的外殼頂端到光探測器的靈敏面。而IEC 規定得比較模糊。

　　評論:表面看起來,遠場測量比近場測量有時候不確定度要小,因為在此條件下對測量距離、電流和雜散光的要求可相對低一些。但同時,LED 安裝傾角的影響卻相對增大,這可是一個大誤差源。一般而論,遠場條件可適用強照明及封裝產品,而近場條件適用于弱照明和芯片、指示燈和背光源等。故均有存在的必要性。其次,CIE 在邏輯上不夠嚴謹。首先,它用很大篇幅說明了LED 不是點光源,故距離平方反比定律不成立,發光強度這個概念也不適用。另外在實踐上,它實際上是測量LED 在光電探測器靈敏面上的照度,然后乘以距離的平方而得到發光強度。這樣,曾經被否定的距離平方反比定律實際上仍用到了。

　　1.3 　測量的外部條件

　　CIE 明確規定測量的環境溫度為25 ℃,但沒提及大氣條件。

　　IEC 則在籠統地提到環境溫度的同時,也強調了適宜的大氣條件。

　　評論:根據作者長期對硅光電二極管深入研究的經驗,LED 參數與大氣條件諸如大氣壓、濕度、潔凈度等有關是肯定的,只是尚未做這方面的實驗來予以證實。

　　2 　IEC 提及卻被CIE 遺漏的內容

　　2.1 　CIE 沒有提到LED 輻射強度的測量,這實際上是一個非常重要的物理量

　　IEC 則用較大篇幅提到這一點。其一,指出輻射強度的測量定位應是機械軸方向(法向輻射強度) ;其二,提到要用無光譜選擇性的探測器如熱電偶堆等熱電探測器作為標準探測器:其三,提到要用近場測量。輻射強度對紅外發光二極管( IRED) 尤其重要。

　　2.2 　CIE 沒有提到脈沖測量

　　既然市場上有“閃光LED”,閃光頻率約為113～512Hz ,所以必須有相應的測量方法。

　　IEC 規定,對閃光LED 的測量,光探測器的上升時間應該足夠小,而且應該能讀取脈沖的峰值。

　　IEC 規定,為了測量峰值波長的帶寬,單色LED的波長分辨率和帶寬應能夠調節,以便測量有足夠的精度。輻射計的光譜響應進行校正,不妨假定峰值波長為100 % ,以便作歸一化處理。IEC 指出,若單色儀的透射因子和輻射計的靈敏度在所測量的波長范圍內不是常數,則要對測量值做相應的修正。[NT:PAGE]

　　2.3 　CIE 沒有提到LED 暗電流的測量

　　IEC 強調指出,LED 暗電流的測量對溫度非常敏感,所以測量精度極大地依賴于環境溫度。另外,雜散光也是一個因素,測量最好在全黑環境下進行。工作電流也必須從零開始慢慢往上調節。

　　2.4 　CIE 沒有提到總電容測量時的頻率

　　由LED 和光晶體管組成的光耦合器,LED 在其中起著開關作用。其抗干擾能力比一般方法強。電容測量儀的最小分辨率≮1PC ,而電容的測試頻率規定為1MHz ,這對LED 總電容的測量可能有借鑒作用。

　　現行標準只籠統地提到“規定頻率”一詞,到底用多大頻率測量總電容尚無規定。

　　2.5 　CIE 沒有提到LED 的開關時間

　　IEC 明確提到了光耦合器的開關時間。如上升時間tr ,開啟時間ton ,關閉延遲時間td ,下降時間tf ,關閉時間toff 等。

　　3 　CIE 提及卻被IEC 所遺漏的內容

　　與上節相比,這方面的內容就太多了,故只能點到為止。

　　3.1 　LED 的性質

　　3.1.1 　LED 的光學性質

　　●發光強度的空間分布強調了對芯片的封裝經常會改變它原來的光譜和空間分布。

　　●相對于其它光源而言,LED 的光譜分布既不是單色的(與激光束比) ,也不是寬帶的(與白熾燈比) 。

　　●LED 的發光面積,由于包裝和透鏡、反光鏡等的不同,而有不同的尺寸和形狀。與測量距離相比,LED 的發光面積大到不再是點光源。

　　3.1.2 　LED 的電學性質

　　●正向電壓:它的精確測量最好用4 線測量方法,而隨著管芯溫度的上升正向電壓會下降。由于LED管芯發熱的作用,剛開啟的時候,輻射功率上升的速度快于電功率的上升。而到了平穩工作期間,LED 的光輻射又強烈地依賴于正向電流。

　　●由于溫度和電壓之間的復雜關系,不推薦用穩定的電功率作為穩定的LED 光輸出功率的前提。

　　●正向電壓與組成LED 的半導體材料相關:在正向電流20mA 的前提下,紅外管的端電壓是112V ,藍光管為615V ,其它的管子在這個范圍以內。

　　●CIE 規定,測量時的環境溫度為25 ℃,但供給LED電源的接觸點,管芯和熱沉之間引線的長度和電阻均會顯著地影響測量結果。

　　●CIE 也提到輻射效率是電流的函數。因為工作電流的增加不但會增加LED 光功率的輸出量,而且會提高芯片溫度,后者反過來又會影響到LED 的光功率輸出。如果對工作電流進行調制,則芯片溫度會產生起伏現象,導致在同樣的電流下,平均光功率輸出不等于穩態下LED 的光功率輸出。

　　●恒電流和一個溫度穩定的電壓將導致LED 有一個穩定的電功率消耗。不過須注意,不控制溫度上升的電功率穩定將會導致一個非常不同的LED 運行條件。輻射的相對功率分布將影響如下兩個方面:一是它將輕微地改變光強分布的形狀;二是當溫度上升時,整個分布將顯著地朝長波方向移動(但藍光LED一般是向短波長方向移動) 。

　　3.1.3 　溫度對輻射的影響

　　●表面看起來,不變的電流電壓似乎能提供LED 一個恒定的電功率。然而,如果不控制溫度則不可能得到穩定的光功率輸出。原因是:LED 的相對功率分布一方面會隨溫度而發生輕微的改變,另一方面當溫度上升時,整個分布將朝長波方向漂移(對藍光LED 則向短波方向漂移) 。

　　●只要溫度存在著變化,則LED 發出的輻射通量也總處于變化狀態中,即效率(efficiency) 在變化。對綠色單色管而言,因它處于∨(λ) 曲線的峰值附近,故而變化小一些。對紅光和藍光單色管而言,因處于∨(λ) 曲線的尾部,則變化要大一些。

　　●管芯溫度升高的速率依賴于輸入的電功率和LED 封裝產品的熱容。在熱平衡以后管芯的溫度主要取決于管芯通過引腳向環境的散熱。因此,LED 結構的熱學性能、引線長度和熱沉三者決定了管芯溫度。

　　●在高的環境溫度下,當電流固定時,正向電壓會下降。而對此進行調整以穩定LED 的電功率消耗會影響芯片的溫度,從而影響LED 的端電壓。因此,電功率的穩定不能作為一種改進LED 光功率輸出的手段。

　　3.2 　誤差的產生原因

　　因為LED 的機械軸和光軸很少會重合, 加上LED 發光的面積、形狀、尺寸和結構總存在差別,故很難確定LED 的發光中心,從而導致角度和位置兩方面對準的困難,增加了測量的不確定度。

　　3.3 　光電探測器的性質

　　CIE 推薦使用“硅光電二極管”,選用標準主要有兩個:一是面響應均勻性,即靈敏面上各點輸出的測試信號均相同;二是響應與被測光的入射角無關。

　　3.4 　LED 的發光強度測量

　　●LED 不是點光源,距離平方反比定律不適用。

　　●因為LED 沒有真正意義上的發光強度,折衷之下提出“平均發光強度”的說法。

　　●規定遠場(條件A) 為316mm ,對應的立體角為0.001Sr 。相應的平面角為2°。規定近場(條件B) 為100mm ,對應的立體角為0.01Sr。相應的平面角為615°。兩者之間可用10 倍關系相互聯系。

　　3.5 　光通量的測量

　　●變角光度計法:以LED 的頂部為假想球心,光電探測器與LED 的距離為假想球半徑,然后把此假想球面分成N 個部分,假設每一部分的照度相同,則積分或累加后很容易得到總光通量。這是最準確的絕對測量方法,缺點是測量時間長。

　　●積分球法:這是一個相對測量儀器,故必須事前對其定標。為了消除LED 自吸收的誤差,CIE 建議用一個輔助LED 插入積分球內同時測量。[NT:PAGE]

　　3.6 　光譜量的測量

　　●與別的標準不同,CIE 增加了“中心波長”的概念:即波形半寬度的中間點所對應的波長。這樣就解決了許多單色管的配光曲線在法向方向凹進去的波長描述的困惑。其它如主波長、峰值波長和質心波長各種標準中均有提及,此略。

　　●對質心波長要特別注意:由它的定義和公式可知,它強烈地受制于LED 光譜分布的形狀。即使光譜形狀有非常小的改變(尤其在紫外和紅外處) ,均可顯著地改變質心波長的位置。

　　4 　對CIE 和IEC 提出的一些建議

　　4.1 　關于硅光電二極管靈敏面的面積

　　CIE 規定:靈敏面的面積為100mm2 (相應的直徑為Φ1.13mm) ,且靈敏面必須是圓形。國產硅光電二極管由于質量原因目前不宜使用,那么國外產品呢?日本濱松HamamatsuS1337 無窗系列的硅光電二極管的靈敏面尺寸為10 ×10 (mm2 ) ,并且美國UDT公司和EG&G公司所制的硅光電二極管也大致為上述尺寸。若選用10mm 作為光電探測器靈敏面的直徑,則相應的靈敏面面積僅為7815mm2 , 比CIE 的規定要小2.15mm2 ,面積減小20 %以上,造成量值的混亂。若用S6337 無窗系列, 它的靈敏面面積為18 ×18(mm2 ) ,取1.13mm 作直徑太浪費。而且S1337 的價格1 000 元/ 只,而S6337 的價格為4 500 元/ 只。故此強烈建議CIE 把光電探測器靈敏面的直徑改為10mm。

　　4.2 　關于光電探測器的光譜靈敏度和∨(λ) 濾光器的匹配精度

　　兩者的匹配結果應符合CIE1924 年頒布的明視覺函數曲線,其偏差一般用f1 表示。CIE 要求f1 <1.5 % ,這樣太苛求了。因為目前世界上∨(λ) 濾光器做得最好的是德國,f1 為1.5 %。目前, ∨(λ) 濾光器國內的水平受制于材料(有色中性玻璃) 和工藝條件,只能做到4 %～5 %。根據國情, 我們認為f1 定為2.2 %比較適合。

　　4.3 　關于單色管發光強度光譜分布的帶寬

　　在測量LED 的輻射強度時,帶寬是一個重要的因子,而相應波形下的面積即是單色管的總光通量。但提及光譜分布必須涉及到單色儀。實質上單色儀是波長可變的濾波器。根據濾波理論,輸出信號是輸入信號和儀器本身傳遞函數的卷積,只有去除了這個卷積,才能得到正確的波形。所以單色LED 通過單色儀時,帶寬必然增加,俗稱“儀器加寬”。這個現象只有用狹縫函數[7 ] 才能正確處理。至于光柵加線陣CCD 的LED 色度儀,其儀器加寬效應更加明顯,在此不予討論。此外,建議CIE 規定單色儀入P出射狹縫的寬度,因為波形的帶寬與此也密切相關。

　　4.4 　色溫修正

　　考慮到發光強度的國家基準和總光通量的國家副基準大多數為2 856K的A 光源作為標準燈,而LED的色溫目前普遍在4 000～7 000K之間,所以必須進行色溫修正,修正量一般為3 %左右。色溫修正的前提是必須知道所用光電探測器的光譜響應曲線。

　　5 　結束語

　　由于標準的制定遠遠跟不上LED 產業發展的步伐,導致國內外的測量標準(草稿) 滿足不了產業界的要求。限于水平,雖然有不少謬誤之處,筆者仍希望此文有助于正式標準的制定。

　　參考文獻

　　1 　呂正.LED 發光強度測量中的若干問題. 北京:中國照明電器,2004(11) :20～22

　　2 　呂正. 從LED 的配光曲線談起. 北京:中國照明電器, 2004 (10) :1～4

　　3 　呂正.LED 發光強度測量中的若干誤區. 北京:中國照明電器,2005(12) :11～14

　　4 　鮑超.LED 測試技術和標準研究開發. 大會發言,上海,2004. 7

　　5 　Measurement of LEDs. CIE 12721997.

　　6 　Optoelectronic devices2Measuring methods. IEC 607472523 , 1997208.

　　7 　Self2study manual on optical radiation measurement . NBS , Tech. 91024 ,1979.