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１ 概述

　　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)１００l(fā)m/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(kāi)發(fā)適應(yīng)這種新型光源的測(cè)量方法。

２ 國(guó)際照明委員會(huì)（ＣＩＥ）技術(shù)委員會(huì)（ＴＣ）相關(guān)ＬＥＤ的技術(shù)特性研究
國(guó)際照明委員會(huì)（ＣＩＥ）的兩個(gè)分部：Ｄ１（視覺(jué)和顏色分部）、Ｄ２（光和輻射測(cè)量分部），正在研究白光ＬＥＤ的顯色性和相關(guān)的計(jì)量問(wèn)題，并已轉(zhuǎn)發(fā)Ｄ１∶ＴＣ １－６５，ＴＣ １－６２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。

　　ＴＣ １－ ６２文件《Ｃｏｌｏｕｒ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ》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。

　　ＴＣ １－ ６２文件《Ｃｏｌｏｕｒ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ》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(zhuān)門(mén)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 ｏｆ ＬＥＤＳ》正在投票中，它將會(huì)替代ＣＩＥ １２７出版物。

３ ＬＥＤ發(fā)光效率極限值

　　長(zhǎng)期以來(lái)，半導(dǎo)體研究專(zhuān)家探索各種新技術(shù)以提高ＬＥＤ的內(nèi)、外量子效率，２００６年已有小功率白光ＬＥＤ發(fā)光效率達(dá)１００ｌｍ/Ｗ的報(bào)導(dǎo)。為確定合理的ＬＥＤ發(fā)光效率期待值，需要從光度學(xué)、色度學(xué)的基礎(chǔ)上計(jì)算ＬＥＤ發(fā)光效率極限值。

　　１９７９年１０月，第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（ＣＧＰＭ）定義了新坎德拉（ｃｄ）。坎德拉（ｃｄ）為發(fā)出單色輻射頻率５４０．０１５４×１０１２Ｈｚ（波長(zhǎng)５５５ｎｍ）的光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，在該方向上的輻射強(qiáng)度為：
１ｃｄ＝（１/６８３）Ｗ/ｓｒ（波長(zhǎng)５５５ｎｍ）；
１ｃｄ＝１ｌｍ/ｓｒ；
１Ｗ＝６８３ｌｍ（波長(zhǎng)５５５ｎｍ）。

　　如果忽略供電損耗、內(nèi)量子效率、外量子效率數(shù)值，可以計(jì)算出各種光源和ＬＥＤ的發(fā)光效率極限值。

　　圖１為人眼光譜光效率及理想等能白光的光譜功率分布。由于人眼的光譜響應(yīng)特性，理想等能白光經(jīng)加權(quán)計(jì)算后，可以得到在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的理想等能白光極限發(fā)光效率為１８２．４５ｌｍ/Ｗ。

　　在照明領(lǐng)域中，一種新型光源的誕生，其壽命、光效是重要的質(zhì)量指標(biāo)，但它對(duì)各種顏色的顯色特性是照明光環(huán)境的另一重要質(zhì)量指標(biāo)。低壓鈉燈的２條黃色光譜線的理論發(fā)光效率可達(dá)４５０ｌｍ/Ｗ（如圖2所示），實(shí)際光效超過(guò)２００ｌｍ/Ｗ。但由于它的顯色特性差，最終被高壓鈉燈、金鹵燈所替代。

　　考察ＬＥＤ這一新型光源，在犧牲一些顯色性指數(shù)Ｒａ的條件下與理想等能白光比較，白光ＬＥＤ的極限發(fā)光效率還會(huì)高一些，大約在２００ｌｍ上下。對(duì)于一個(gè)實(shí)際應(yīng)用于照明領(lǐng)域中的白光ＬＥＤ，發(fā)光效率的目標(biāo)值設(shè)定在１５０～１６０ｌｍ/Ｗ是合理的。


　　除了照明應(yīng)用的白光ＬＥＤ外，各種光譜的ＬＥＤ的發(fā)光效率也可根據(jù)圖２所示的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。圖３是紅、綠、藍(lán)（６４３ｎｍ，５３５ｎｍ，４６０ｎｍ）ＬＥＤ的極限發(fā)光效率值。

４ ＬＥＤ與傳統(tǒng)光源的比較

（１）ＬＥＤ體積小，有各種不同的外形尺寸，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)所（如圖４所示）。

（２）ＬＥＤ具有多種顏色，紫外、紫色、綠色、黃色、紅色到紅外，白光ＬＥＤ光譜如圖５所示。

（３）ＬＥＤ光學(xué)參數(shù)與溫度有關(guān)（如圖６、圖７所示）；

（４）ＬＥＤ光學(xué)參數(shù)與觀察角度有關(guān)；

（５）ＬＥＤ有各種不同的配光曲線，而且沒(méi)有確定的光軸（如圖８所示）。

ＬＥＤ的上述特性，給ＬＥＤ光學(xué)特性的測(cè)量帶來(lái)很多問(wèn)題。
５ ＬＥＤ光學(xué)特性的測(cè)量
ＬＥＤ的光學(xué)特性檢測(cè)應(yīng)從下面幾個(gè)特性來(lái)考慮：
（１）發(fā)光強(qiáng)度；
（２）總光通量；
（３）光譜特性、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)；
（４）發(fā)光強(qiáng)度的空間分布和總光通量。

５．１ 發(fā)光強(qiáng)度

　　由于ＬＥＤ的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為提高其發(fā)光效率，在其底部配裝反射器，實(shí)際上它本身就是一個(gè)燈具。各個(gè)區(qū)域發(fā)出的光線有不同的聚焦點(diǎn)，它并不是一個(gè)點(diǎn)光源。因此，在評(píng)價(jià)ＬＥＤ發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，光度學(xué)中的距離平方反比定律不適用。ＣＩＥ１２７出版物中規(guī)定了兩種目前國(guó)際公認(rèn)的測(cè)量條件如圖９、圖１０所示。

　　應(yīng)用上述兩種測(cè)量條件的測(cè)量結(jié)果能進(jìn)行國(guó)際間的對(duì)比。Ａ和Ｂ測(cè)量條件并不嚴(yán)格按照發(fā)光強(qiáng)度的定義進(jìn)行，因此被稱(chēng)為“平均發(fā)光強(qiáng)度”（ＡＬＩ）。

　　關(guān)于測(cè)量探測(cè)器的修正：由于測(cè)量探測(cè)器Ｖ（?姿）的配匹誤差將造成“平均發(fā)光強(qiáng)度”（ＡＬＩ）的測(cè)量誤差（如圖１１所示），Ｖ（?姿）的配匹誤差對(duì)紅、藍(lán)ＬＥＤ的測(cè)量結(jié)果影響更為嚴(yán)重，采用光譜修正方法可以提高測(cè)量精度。

對(duì)ＬＥＤ發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量?jī)x器的要求：
（１）測(cè)量立體角要正確
ｄΩ＝０．００１ｓｒ（Ａ條件）
ｄΩ＝０．０１ｓｒ（Ｂ條件）
（２）測(cè)量機(jī)械軸正確；
（３）有效的防雜散光設(shè)計(jì)；
（４）精密的Ｖ（λ）光探測(cè)器；
（５）提供Ｖ（λ）光探測(cè)器光譜數(shù)據(jù)，便于修正測(cè)量值；
（６）配備高穩(wěn)定性的供電電源。

５．２ ＬＥＤ光通量的測(cè)量

　　應(yīng)用分布式光度計(jì)可對(duì)ＬＥＤ總光通量進(jìn)行精確測(cè)量（探測(cè)器光譜響應(yīng)曲線已修正的條件下）。這是ＬＥＤ總光通量的絕對(duì)測(cè)量方法，但測(cè)試儀器昂貴，工業(yè)中常用積分球進(jìn)行測(cè)量。

（１）積分球的尺寸盡可能大，可減少擋屏吸收及異物誤差；

（２）鍍層表面反射比越大，球內(nèi)表面的響應(yīng)率差異越少。目前在ＬＥＤ測(cè)試中，鍍層表面反射比甚至大于９８％。

（３）注意被測(cè)ＬＥＤ的安裝位置，應(yīng)將發(fā)射的光線對(duì)準(zhǔn)積分球內(nèi)表面響應(yīng)均勻的區(qū)域；

（４）應(yīng)用輔助光源減少擋屏吸收及異物誤差。

５．３ 光譜特性、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)的測(cè)量

　　根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)（ＣＩＥ）三次ＬＥＤ國(guó)際專(zhuān)家會(huì)議的技術(shù)交流和相關(guān)國(guó)際對(duì)比結(jié)果，現(xiàn)建議如下：

（１）國(guó)家計(jì)量部門(mén)應(yīng)該采用雙單色儀測(cè)量系統(tǒng)；

（２）單色儀測(cè)量系統(tǒng)可滿(mǎn)足工業(yè)部門(mén)應(yīng)用；

（３）１ｎｍ和５ｎｍ光譜測(cè)量帶寬的色度測(cè)試結(jié)果比較接近，可采用５ｎｍ帶寬測(cè)量；

（４）主波長(zhǎng)的對(duì)比測(cè)量差別很��；

（５）ＣＣＤ測(cè)量?jī)x器相對(duì)誤差較大。

６ 標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ

６．１ ＬＥＤ光學(xué)特性測(cè)量的理論與技術(shù)基礎(chǔ)

（１）根據(jù)以上對(duì)ＬＥＤ光學(xué)特性的分析，國(guó)家計(jì)量部門(mén)和工業(yè)界可應(yīng)用常規(guī)的光度、色度及輻射度儀器對(duì)ＬＥＤ的總光通量、光譜特性、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)、色溫等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

（２）對(duì)于ＬＥＤ發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量，由于ＬＥＤ發(fā)光特性不遵循光度學(xué)的距離平方反比定律，ＣＩＥ１２７文件推薦采用Ａ，Ｂ條件測(cè)量ＬＥＤ平均發(fā)光強(qiáng)度（ＡＬＩ）。

（３）為了提高平均發(fā)光強(qiáng)度、光通量等量值傳遞過(guò)程中測(cè)量的不確定度和提高測(cè)量效率，ＣＩＥ建立了Ｔｃ２－４５、Ｔｃ２－４６、Ｔｃ２－５０等技術(shù)委員會(huì)，開(kāi)展相關(guān)的研究和評(píng)價(jià)工作，以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ的研究。

（４）光度學(xué)、色度學(xué)、輻射度學(xué)的基本理論是ＬＥＤ的測(cè)量基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)Ａ光源是測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ光譜功率分布特性的重要基準(zhǔn)。

（５）準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ光通量值可用分布式光度計(jì)測(cè)量確定。
作為一種補(bǔ)充測(cè)試方法，美國(guó)（ＮＩＳＴ）、匈牙利、英國(guó)（ＮＰＬ）、德國(guó)（ＰＴＢ）等國(guó)家以及我國(guó)都在積極開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ研究工作。

６．２ 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ特性的要求

（１）標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ的工作溫度一般大于環(huán)境溫度，也有致冷的技術(shù)方案；

（２）標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ的樣品需要老化幾百小時(shí)，選擇其中的穩(wěn)定者進(jìn)行后期標(biāo)定工作；

（３）標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ必須與測(cè)試樣品具有同樣的光譜功率分布，需要建立多種不同顏色的標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ。特別是白光ＬＥＤ，由于它可由不同光譜組成，研制通用的白光ＬＥＤ標(biāo)準(zhǔn)幾乎不太可能；

（４）標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ必須與測(cè)試樣品具有同樣的發(fā)光強(qiáng)度分布曲線（配光曲線），如果待測(cè)ＬＥＤ的顏色（光譜）與標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ（光譜）有差異，則需對(duì)光度探器進(jìn)行光譜校正。

６．３ 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

（１）不需要對(duì)光度探頭進(jìn)行光譜校正；

（２）不需要對(duì)光度計(jì)參考平面進(jìn)行嚴(yán)格的定位，圖13、圖14是標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ的應(yīng)用。

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