LED檢測方法探討

鄭琳琳，劉君榮

（工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

LED產品及其應用正在快速地發展，它們在很多領域逐漸地代替了曾經占統治地位的傳統光源，如白熾燈、高壓鈉燈和高壓汞燈等[1]。在LED的應用中，需要對其進行光度、色度及電參數的測試分析。LED具有獨特的發光特性，單個LED芯片幾乎是理想的光源：它們的發光點很小，接近于點光源，發光的一致性很好，發光立體角很小，而且大多數LED芯片幾乎都是單色的[2]。這意味著單顆LED芯片是很好測量的。然而，封裝好的LED和很多LED芯片組成的陣列式器件的發光性能與單顆LED芯片有很大的不同，這些器件不再類似于點光源，發光不一致，發光的角度也很小。所以封裝好的發光二極管的測量條件必須是標準化的，才能得到一致的測量結果[3]。

1 LED的檢測參數

一般來說，我們用發光強度、光通量、輻射強度、輻射通量、峰值波長與主波長、峰度、色坐標和發光效率等光學參量來評價LED。然而，隨著LED對傳統光源和顯示行業的競爭，一些其他的測量要求也隨之增加了，例如：照度和亮度。測量中通常會用到光譜輻射計、光度計和輻射計等儀器。

上述測量參數可大致分為3類：

a）光度學參數——用光度計或光譜輻射度計測量

包括：總光通量 （單位：lm），光強度 （單位：cd）， 照度 （單位：lux）， 亮度 （單位：cd/m2）， 色坐標，色溫等。

b）輻射度參數——用輻射度計或光譜輻射度計測量

包括：總輻射通量 （單位：W），輻射強度（單位：W/Sr）， 輻照度 （單位：W/m2）， 輻射亮度（單位： W/（Sr·nm））。

c）光譜輻射度參數——用光譜輻射計測量

包括：總光譜通量 （單位：W/nm），光譜輻射強度 （單位： W/（nm·Sr）），光譜輻照度 （單位：W/（m2·nm））， 輻射亮度 （單位： W/（ Sr·m2·nm）），波長 （單位：nm），顯色指數。

2 LED的光學性質

普通照明LED，俗稱 “白光”LED。目前實現白光LED主要有兩條途徑：1）用LED發出的藍光激發熒光粉，再與熒光粉發出的 “黃光”進行混光，最終得到白光；2）用紅、綠、藍3種不同的LED進行混光，得到白光。LED不僅僅只是芯片部分，它們封裝在一個復雜的結構中使其達到最大的發光效率。LED的封裝面一般是錐形的，其典型的結構示意圖如圖1所示。

圖1 封裝好的LED光輻射結構圖

無論是單個封裝好的LED還是由多個LED組成的陣列式光源，它都不是物理學上最容易理解和描述的點光源或朗伯光源，它是由多個等效點光源所組成的分散的點光源 （象、虛象和實象均存在，一般多數為虛象）的集合[4]。LED光源所對應的特定的點光源集合有著共同的特征：1）在近場的不同距離下，其光強分布是不相同的；2）在某一特定的角度上 （如法向），其近場發光強度不是恒定的，因而，照度隨距離平方成反比定律不成立；3）由于LED芯片與封裝透鏡的位置敏感性和LED芯片的不對稱性，LED光源在不同的平面上有不同的光強分布曲線；4）目前已進入工業化生產的“白光”LED，其光譜混合是不均勻的，其顏色分布像光強分布曲線一樣，是隨距離和角度的不同而發生變化的。

3 發光強度的測量

一般來說，一個點光源發出的光是各向同性的，這樣我們就可以通過測量任意給定方向單位立體角dΩ（Sr）的光通量來確定它的發光強度。LED尺寸小，光強弱，我們必須把探頭放在距離LED很近的地方測量，加之它獨特的發光特性，LED的光強會隨著距離、角度和立體角的尺寸而改變，用常規的方法去測量LED的光強會有很大的誤差。因此，國際照明委員會 （CIE）明確地提出了測量LED光強的標準，在這個標準中明確地規定了LED相對于參考光軸放置的位置，探頭的尺寸、測量距離和立體角[5]。圖2給出了AB兩種條件下的具體設置。兩種條件都是以LED前端面為測量參考點，參考光軸沿著LED發光方向，探頭的接收部分尺寸都是1 cm2。不同的地方是A條件的測量距離是316 mm，立體角是0.001 Sr，而A條件的測量距離是100 mm，立體角是0.01 Sr。

圖2 CIE 127中規定的測量LED發光強度的兩種條件

如果一個光源發光強度隨角度和距離變化，那么對這個光源光強的任何測量值其實是所選測量條件下的測量平均值。因此，把在上述兩種條件下的光強測量值稱為LED的平均發光強度。目前，平均發光強度已被大多數實驗室采納，按照圖2中的測量條件也得到了較為一致的結果。若按照圖3的示意圖，我們就可以得到LED的光強角度空間分布。

圖3 測角光度計中定義的空間角度

4 總光通量的測量

上面討論了LED發光強度的測量，如果把所有可能角度的光強測量結果進行積分，那我們就可以得到一個LED輻射的總光通量。測量總光通量的方法有兩種，一種是用分布光度計測量，另一種就是我們最常用的積分球，這里我們主要討論后者。測量時，LED放置在積分球中心，探頭安裝在積分球壁上。圖4給出了一種典型的總光通量積分球的內部結構圖。

圖4 典型的總光通量積分球內部結構

這里假設把積分球表面的一部分去掉，以便能看到其內部結構。我們可以看到LED在積分球中心，探頭在積分球表面，這兩者之間還有一個擋屏，用來阻擋直接射向探頭的光，積分球和擋屏都涂上了高反射率的涂層。表面上看來，積分球的內壁除了被擋屏遮住的地方照不到光，其他地方都能被照射到。實際上，擋屏不止影響到光如何照射積分球壁，同時也影響了探頭如何接收到積分球內壁的反射光。圖5給出了擋屏所產生的陰影區。LED發出的光在第一次照射到積分球內壁時，并不是所有的反射光都被探頭先接收到。一部分光在探頭感應到之前先經過二次反射到了積分球的某些區域。積分球的涂層并不是100%反射光的，這些光經過二次反射到達的積分球內壁區域會出現比那些一次反射的地方較低的響應。理想的響應是探頭在任何方向對光的感應都是一致的。由于擋屏必須存在于積分球內，這樣就一定會產生非理想響應，因此，實際中并不存在測量總光通量的理想積分球。

在圖5中可以很清楚地看到擋屏在積分球里面形成的陰影，正是這些陰影區導致探頭對積分球內壁這些區域的響應降低。隨著積分球尺寸的增大，這種響應降低的效應會跟著減小，因此對同一個LED，直徑2 m的積分球比0.5 m的積分球的測量結果要好。然而，積分球的尺寸對陰影區產生的響應率變化的影響是很微弱的，主要的影響因素在于積分球涂層的反射率。涂層反射率在98%或以上的積分球是最常用的，測出的結果比反射率95%的積分球要理想。而那些用于測量普通光源總光通量的積分球反射率大約在80%左右，如果用這些積分球測LED的總光通量就會出現很大的誤差。

圖5 擋板在積分球內部產生的陰影區和部分陰影區

仔細觀察圖5就會發現右側部分的響應會比理論上的響應值略微偏高，這是因為有部分反射光反射到對著探頭一面的擋屏上，再經過擋屏直接反射到探頭上使得探頭在這邊的響應變大。這種現象在所有的積分球中都會出現，但是影響有多大主要取決于擋屏的設計。

LED發光立體角通常很小，最好就是把它們定向，使發出的光朝向積分球內響應比較均一的區域而不是陰影區。陰影區隨著積分球尺寸的增加而減小，隨著擋屏尺寸的減小而減小，因此應該選用尺寸盡量大而擋屏面積盡量小的積分球。這點在積分球涂層反射率較低時顯得更為重要。

如果積分球里有某些吸光的物體，就會使積分球測出的總光通量降低。這樣等于降低了積分球涂層的反射率，對積分球的測量結果會有明顯的影響。但是包括LED本身，其夾具、底座，以及測試線纜等都會吸收LED發出的光。一般來說，校準燈和被測燈不可能完全一致，它們在積分球內產生的吸收也不一樣，為了準確地測量LED，我們除了測量它們各自的光通量，還必須測量標準燈和被測燈不一致引起的光通量的變化量。固定地安裝在積分球內的輔助燈就是用來修正測量積分球、標準燈、被測LED、夾具和底座，以及線纜產生的吸收所引起的誤差。如果標準燈和輔助燈都是與被測LED光譜分布相同的LED，我們用光度計或光譜輻射度計就會測到最精確的結果。

5 光譜測量

LED的峰值波長有很多，其范圍覆蓋可見光，以及與可見光鄰近的紫外和紅外光。它們的光譜與傳統白熾光源有很大的不同，LED的光譜帶寬比較窄，通常只有20～40 nm，所用的光度或輻射度儀器的探頭必須在LED發光的波段有很好的響應，而不只是對很寬的波長范圍內進行平均測量。用傳統白熾燈 （A光源）校準的光度計或輻射度計，是對相對很寬范圍內的光譜進行的整體校準，這些儀器在整個波段進行平均測量的準確度即使很高，測量LED時會有很大的偏差。這個偏差在測量紅色LED和藍色LED時，大概有20%左右。解決的方法有兩種，一種是給光度計或輻射度計加色修正因子，另一種就是用標準的LED管去校準所使用的光度計。

6 環境條件

LED是一種所謂的冷光源，它們不需要加熱就能發光，但這并不是說LED發光不會受到其他介質發熱的影響。LED通常都是固體器件，在LED器件上加上電壓，就能使電子和空穴通過材料內部流向相反方向，當電子和空穴復合時形成激發態，就會看到LED器件發光，發光的波長取決于材料的性質。為了使LED發光穩定，加在器件外部的電流就必須進行限制，因此，LED通常使用直流電源在恒定電流下供電。LED典型的電流值大約是10～20 mA，有的高功率LED，供電電流要達到 200～300 mA。

另外一個影響LED發光性能的因素就是溫度。LED通常是使用熱傳導性很差的材料封裝的，唯一會使LED升溫的就是銅導線，尤其是大功率的LED管，必須要對LED的夾具和電導線進行冷卻，否則會導致測量結果出現很大的偏差。

控制好以上這兩個測量因素是非常重要的，否則對同一器件重復性測量會得到差異很大的結果。因此一定要確保在恒溫恒電流的條件下才能得到可重復性的結果。

7 結束語

LED由于其獨特的發光性能，在檢測時不能完全按照傳統光源檢測方法。首先，傳統的光源檢測中發光強度的定義不適用于LED的檢測，按照國際照明委員會 （CIE）的規定，只有在規定好的方向、距離和發光立體角，以及探測器接收面積等條件下才能得到一致可重復的測量結果；其次，文章中討論了積分球測量LED光通量的影響因素，如擋屏的設計必須要合理，大積分球比小積分球相對測得更準確一些，積分球內壁涂層材料反射率越高帶來的誤差越小，使用輔助燈能更準確地修正積分球內部光吸收的問題，測量，以及光譜測量等；再次，文中討論了用傳統光源校準的探測器檢測LED發光光譜時也會出現較大的誤差，尤其是紅色和藍色LED的誤差較大；最后，文章討論了環境條件對LED檢測的影響，必須在保持溫度和供電電流恒定的條件下去測量LED能得到可重復的結果。由此也可看出，對溫度和電流的控制也是準確地測量LED的關鍵。

[1]金維平.LED照明的檢測問題和平臺構建探討 [J].中國新技術新產品，2010（13）：137-138.

[2]俞安琪.LED照明產品檢測方法中的缺陷和改善對策[J].照明工程學報，2010，21（4）：31-33.

[3]林衛國.LED光譜電性參數測試技術的研究與開發 [D].武漢：武漢理工大學，2006.

[4]林繼鋼.LED檢測中的問題 [J].上海計量測試，2008， 35 （5）： 66-67.

[5]CIE 127-2007，Measurement of LEDs[S].