檢測(cè)LED光源及其光學(xué)特性

　　1.概述

　　LED作為新型光電發(fā)光器件，由于它的低碳環(huán)保體積小重量輕成本低壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，正越來(lái)越受到人們的追捧，發(fā)展勢(shì)頭異常迅猛，是光電專家所始料不及的。LED不但廣泛應(yīng)用作于各種照明光源，指示標(biāo)記燈，而且還大批量用于LCD的背光源，大有取代傳統(tǒng)的熒光燈管而成為L(zhǎng)CD電視的新寵。此外，LED還可以作為許多測(cè)量?jī)x器的光源。

　　完全意義上的LED電視發(fā)展也很快，雖然它現(xiàn)在大多用于戶外，由于他的高亮度和逼真的色彩以及動(dòng)態(tài)效果極佳，走進(jìn)千家萬(wàn)戶也只是時(shí)間問(wèn)題。因此，讓我們?nèi)嬲J(rèn)識(shí)LED這個(gè)新型小伙伴，就顯得十分緊迫。

　　自1976年第一個(gè)紅光LED問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，LED已形成各種光譜系列產(chǎn)品，單個(gè)LED的功率也從最初的零點(diǎn)零幾瓦發(fā)展至幾瓦乃至數(shù)十瓦。2001年白光LED研制成功，人們期待LED最終能進(jìn)入照明領(lǐng)域，甚至進(jìn)入家庭照明。最新白光LED的研究成果更是激動(dòng)人心。

　　小功率LED的發(fā)光效率已達(dá)100lm/W。特別是RGB－LED的研究結(jié)果表明，LED也與常規(guī)三基色熒光燈一樣，可以獲得各種不同的色溫和均勻的照明環(huán)境。

　　LED光源的進(jìn)展和人們對(duì)它在照明領(lǐng)域中應(yīng)用的期待，也對(duì)相應(yīng)的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)有了新的要求。由于LED的光學(xué)特性與傳統(tǒng)光源有較大差別，需要研究開發(fā)適應(yīng)這種新型光源的測(cè)量方法。

　　2.LED光源

　　LED（Light-Emitting-Diode中文意思為發(fā)光二極管）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場(chǎng)發(fā)光。據(jù)分析，LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可達(dá)80～90%。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為12lm／W，壽命小于2000小時(shí)，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm／W，壽命小于8000小時(shí)，T5熒光燈則為96lm／W，壽命大約為10000小時(shí)，而直徑為5毫米的白光LED為20～28lm／W，壽命可大于100000小時(shí)。有人還預(yù)測(cè)，未來(lái)的LED壽命上限將無(wú)窮大。

　　大功率，指發(fā)光工率大，一般指0.5W，1W 3W 5W或更高的。光強(qiáng)與流明是比小功率大，但同樣散熱也很大，現(xiàn)在大功率都是單顆應(yīng)用，加很大的散熱片。小功率一般是0.06W左右的。插件和食人魚等。現(xiàn)在LED手電一般是用小功率用的，光散不散，取決于LED的發(fā)光角度，有大角度小角度之分，小角度不散，大角度才散。

　　LED的亮度是跟LED的發(fā)光角度有必然關(guān)系的，LED的角度越小它的亮度越高。 如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百M(fèi)CD，如果是15度角的亮度就要去到一萬(wàn)多兩萬(wàn)MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了，如果是用于照明用的，在戶外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個(gè)功率有1W，3W，5W，還有的是用多個(gè)大功率組合成一個(gè)大功率的LED，功率去到幾百都有。

　　LED的發(fā)光原理

　　LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。

　　而光的波長(zhǎng)決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料決定的。

　　LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。

　　假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。

　　理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高，使用不普遍。

　　3.LED的分類

　?。?）按發(fā)光管發(fā)光顏色分

　　按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。

　　根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無(wú)色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。

　?。?）按發(fā)光管出光面特征分

　　按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國(guó)外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。

　　由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。

　　從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來(lái)分有三類：

　　A.高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

　　B.標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

　　C.散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

　?。?）按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分

　　按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。

　　（4）按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分

　　按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。

　　4.LED光學(xué)特性研究

　　國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）技術(shù)委員會(huì)關(guān)于LED的技術(shù)特性的研究分為兩個(gè)分部。即：視覺和顏色分部（D1）和光和輻射測(cè)量分部（D2）。白光LED的顯色性和相關(guān)的計(jì)量問(wèn)題正在研究，并已轉(zhuǎn)發(fā)D1∶TC1－65，TC1－62這兩個(gè)研究色表的目視測(cè)量和LED的顯色性的文件草案。

　　TC1－62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》可能部分替代CIE 13.3－1995出版物。這兩個(gè)文件已進(jìn)入投票階段。

　　TC1－62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》介紹了白光LED顯色指數(shù)CRI的目視實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　CIE 13.3－1995出版物中規(guī)定了CRI的計(jì)算方法，如果白光LED對(duì)CRI進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與目視結(jié)果有矛盾，文件確定存在這一矛盾。技術(shù)報(bào)告的結(jié)論是：應(yīng)用包括白光LED在內(nèi)的顯色性計(jì)算時(shí)，CIE CRI并不適用。技術(shù)委員會(huì)建議D1建立一組新的顯色指數(shù)，這些顯色指數(shù)不立即替代目前的CIE顯色指數(shù)計(jì)算方法。新的顯色指數(shù)作為CIE CRI的補(bǔ)充，在成功地應(yīng)用組合新的顯色指數(shù)后才能確定替代目前CRI的計(jì)算方法。D2成立專門的技術(shù)委員會(huì)TC 2－45研究LED的測(cè)量方法：TC 2－45文件《Mea-surement ofLEDS》正在投票中，它將會(huì)替代CIE 127出版物。