LED检测方法探讨

郑琳琳，刘君荣

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

LED产品及其应用正在快速地发展，它们在很多领域逐渐地代替了曾经占统治地位的传统光源，如白炽灯、高压钠灯和高压汞灯等[1]。在LED的应用中，需要对其进行光度、色度及电参数的测试分析。LED具有独特的发光特性，单个LED芯片几乎是理想的光源：它们的发光点很小，接近于点光源，发光的一致性很好，发光立体角很小，而且大多数LED芯片几乎都是单色的[2]。这意味着单颗LED芯片是很好测量的。然而，封装好的LED和很多LED芯片组成的阵列式器件的发光性能与单颗LED芯片有很大的不同，这些器件不再类似于点光源，发光不一致，发光的角度也很小。所以封装好的发光二极管的测量条件必须是标准化的，才能得到一致的测量结果[3]。

1 LED的检测参数

一般来说，我们用发光强度、光通量、辐射强度、辐射通量、峰值波长与主波长、峰度、色坐标和发光效率等光学参量来评价LED。然而，随着LED对传统光源和显示行业的竞争，一些其他的测量要求也随之增加了，例如：照度和亮度。测量中通常会用到光谱辐射计、光度计和辐射计等仪器。

上述测量参数可大致分为3类：

a）光度学参数——用光度计或光谱辐射度计测量

包括：总光通量 （单位：lm），光强度 （单位：cd）， 照度 （单位：lux）， 亮度 （单位：cd/m2）， 色坐标，色温等。

b）辐射度参数——用辐射度计或光谱辐射度计测量

包括：总辐射通量 （单位：W），辐射强度（单位：W/Sr）， 辐照度 （单位：W/m2）， 辐射亮度（单位： W/（Sr·nm））。

c）光谱辐射度参数——用光谱辐射计测量

包括：总光谱通量 （单位：W/nm），光谱辐射强度 （单位： W/（nm·Sr）），光谱辐照度 （单位：W/（m2·nm））， 辐射亮度 （单位： W/（ Sr·m2·nm）），波长 （单位：nm），显色指数。

2 LED的光学性质

普通照明LED，俗称 “白光”LED。目前实现白光LED主要有两条途径：1）用LED发出的蓝光激发荧光粉，再与荧光粉发出的 “黄光”进行混光，最终得到白光；2）用红、绿、蓝3种不同的LED进行混光，得到白光。LED不仅仅只是芯片部分，它们封装在一个复杂的结构中使其达到最大的发光效率。LED的封装面一般是锥形的，其典型的结构示意图如图1所示。

图1 封装好的LED光辐射结构图

无论是单个封装好的LED还是由多个LED组成的阵列式光源，它都不是物理学上最容易理解和描述的点光源或朗伯光源，它是由多个等效点光源所组成的分散的点光源 （象、虚象和实象均存在，一般多数为虚象）的集合[4]。LED光源所对应的特定的点光源集合有着共同的特征：1）在近场的不同距离下，其光强分布是不相同的；2）在某一特定的角度上 （如法向），其近场发光强度不是恒定的，因而，照度随距离平方成反比定律不成立；3）由于LED芯片与封装透镜的位置敏感性和LED芯片的不对称性，LED光源在不同的平面上有不同的光强分布曲线；4）目前已进入工业化生产的“白光”LED，其光谱混合是不均匀的，其颜色分布像光强分布曲线一样，是随距离和角度的不同而发生变化的。

3 发光强度的测量

一般来说，一个点光源发出的光是各向同性的，这样我们就可以通过测量任意给定方向单位立体角dΩ（Sr）的光通量来确定它的发光强度。LED尺寸小，光强弱，我们必须把探头放在距离LED很近的地方测量，加之它独特的发光特性，LED的光强会随着距离、角度和立体角的尺寸而改变，用常规的方法去测量LED的光强会有很大的误差。因此，国际照明委员会 （CIE）明确地提出了测量LED光强的标准，在这个标准中明确地规定了LED相对于参考光轴放置的位置，探头的尺寸、测量距离和立体角[5]。图2给出了AB两种条件下的具体设置。两种条件都是以LED前端面为测量参考点，参考光轴沿着LED发光方向，探头的接收部分尺寸都是1 cm2。不同的地方是A条件的测量距离是316 mm，立体角是0.001 Sr，而A条件的测量距离是100 mm，立体角是0.01 Sr。

图2 CIE 127中规定的测量LED发光强度的两种条件

如果一个光源发光强度随角度和距离变化，那么对这个光源光强的任何测量值其实是所选测量条件下的测量平均值。因此，把在上述两种条件下的光强测量值称为LED的平均发光强度。目前，平均发光强度已被大多数实验室采纳，按照图2中的测量条件也得到了较为一致的结果。若按照图3的示意图，我们就可以得到LED的光强角度空间分布。

图3 测角光度计中定义的空间角度

4 总光通量的测量

上面讨论了LED发光强度的测量，如果把所有可能角度的光强测量结果进行积分，那我们就可以得到一个LED辐射的总光通量。测量总光通量的方法有两种，一种是用分布光度计测量，另一种就是我们最常用的积分球，这里我们主要讨论后者。测量时，LED放置在积分球中心，探头安装在积分球壁上。图4给出了一种典型的总光通量积分球的内部结构图。

图4 典型的总光通量积分球内部结构

这里假设把积分球表面的一部分去掉，以便能看到其内部结构。我们可以看到LED在积分球中心，探头在积分球表面，这两者之间还有一个挡屏，用来阻挡直接射向探头的光，积分球和挡屏都涂上了高反射率的涂层。表面上看来，积分球的内壁除了被挡屏遮住的地方照不到光，其他地方都能被照射到。实际上，挡屏不止影响到光如何照射积分球壁，同时也影响了探头如何接收到积分球内壁的反射光。图5给出了挡屏所产生的阴影区。LED发出的光在第一次照射到积分球内壁时，并不是所有的反射光都被探头先接收到。一部分光在探头感应到之前先经过二次反射到了积分球的某些区域。积分球的涂层并不是100%反射光的，这些光经过二次反射到达的积分球内壁区域会出现比那些一次反射的地方较低的响应。理想的响应是探头在任何方向对光的感应都是一致的。由于挡屏必须存在于积分球内，这样就一定会产生非理想响应，因此，实际中并不存在测量总光通量的理想积分球。

在图5中可以很清楚地看到挡屏在积分球里面形成的阴影，正是这些阴影区导致探头对积分球内壁这些区域的响应降低。随着积分球尺寸的增大，这种响应降低的效应会跟着减小，因此对同一个LED，直径2 m的积分球比0.5 m的积分球的测量结果要好。然而，积分球的尺寸对阴影区产生的响应率变化的影响是很微弱的，主要的影响因素在于积分球涂层的反射率。涂层反射率在98%或以上的积分球是最常用的，测出的结果比反射率95%的积分球要理想。而那些用于测量普通光源总光通量的积分球反射率大约在80%左右，如果用这些积分球测LED的总光通量就会出现很大的误差。

图5 挡板在积分球内部产生的阴影区和部分阴影区

仔细观察图5就会发现右侧部分的响应会比理论上的响应值略微偏高，这是因为有部分反射光反射到对着探头一面的挡屏上，再经过挡屏直接反射到探头上使得探头在这边的响应变大。这种现象在所有的积分球中都会出现，但是影响有多大主要取决于挡屏的设计。

LED发光立体角通常很小，最好就是把它们定向，使发出的光朝向积分球内响应比较均一的区域而不是阴影区。阴影区随着积分球尺寸的增加而减小，随着挡屏尺寸的减小而减小，因此应该选用尺寸尽量大而挡屏面积尽量小的积分球。这点在积分球涂层反射率较低时显得更为重要。

如果积分球里有某些吸光的物体，就会使积分球测出的总光通量降低。这样等于降低了积分球涂层的反射率，对积分球的测量结果会有明显的影响。但是包括LED本身，其夹具、底座，以及测试线缆等都会吸收LED发出的光。一般来说，校准灯和被测灯不可能完全一致，它们在积分球内产生的吸收也不一样，为了准确地测量LED，我们除了测量它们各自的光通量，还必须测量标准灯和被测灯不一致引起的光通量的变化量。固定地安装在积分球内的辅助灯就是用来修正测量积分球、标准灯、被测LED、夹具和底座，以及线缆产生的吸收所引起的误差。如果标准灯和辅助灯都是与被测LED光谱分布相同的LED，我们用光度计或光谱辐射度计就会测到最精确的结果。

5 光谱测量

LED的峰值波长有很多，其范围覆盖可见光，以及与可见光邻近的紫外和红外光。它们的光谱与传统白炽光源有很大的不同，LED的光谱带宽比较窄，通常只有20～40 nm，所用的光度或辐射度仪器的探头必须在LED发光的波段有很好的响应，而不只是对很宽的波长范围内进行平均测量。用传统白炽灯 （A光源）校准的光度计或辐射度计，是对相对很宽范围内的光谱进行的整体校准，这些仪器在整个波段进行平均测量的准确度即使很高，测量LED时会有很大的偏差。这个偏差在测量红色LED和蓝色LED时，大概有20%左右。解决的方法有两种，一种是给光度计或辐射度计加色修正因子，另一种就是用标准的LED管去校准所使用的光度计。

6 环境条件

LED是一种所谓的冷光源，它们不需要加热就能发光，但这并不是说LED发光不会受到其他介质发热的影响。LED通常都是固体器件，在LED器件上加上电压，就能使电子和空穴通过材料内部流向相反方向，当电子和空穴复合时形成激发态，就会看到LED器件发光，发光的波长取决于材料的性质。为了使LED发光稳定，加在器件外部的电流就必须进行限制，因此，LED通常使用直流电源在恒定电流下供电。LED典型的电流值大约是10～20 mA，有的高功率LED，供电电流要达到 200～300 mA。

另外一个影响LED发光性能的因素就是温度。LED通常是使用热传导性很差的材料封装的，唯一会使LED升温的就是铜导线，尤其是大功率的LED管，必须要对LED的夹具和电导线进行冷却，否则会导致测量结果出现很大的偏差。

控制好以上这两个测量因素是非常重要的，否则对同一器件重复性测量会得到差异很大的结果。因此一定要确保在恒温恒电流的条件下才能得到可重复性的结果。

7 结束语

LED由于其独特的发光性能，在检测时不能完全按照传统光源检测方法。首先，传统的光源检测中发光强度的定义不适用于LED的检测，按照国际照明委员会 （CIE）的规定，只有在规定好的方向、距离和发光立体角，以及探测器接收面积等条件下才能得到一致可重复的测量结果；其次，文章中讨论了积分球测量LED光通量的影响因素，如挡屏的设计必须要合理，大积分球比小积分球相对测得更准确一些，积分球内壁涂层材料反射率越高带来的误差越小，使用辅助灯能更准确地修正积分球内部光吸收的问题，测量，以及光谱测量等；再次，文中讨论了用传统光源校准的探测器检测LED发光光谱时也会出现较大的误差，尤其是红色和蓝色LED的误差较大；最后，文章讨论了环境条件对LED检测的影响，必须在保持温度和供电电流恒定的条件下去测量LED能得到可重复的结果。由此也可看出，对温度和电流的控制也是准确地测量LED的关键。

[1]金维平.LED照明的检测问题和平台构建探讨 [J].中国新技术新产品，2010（13）：137-138.

[2]俞安琪.LED照明产品检测方法中的缺陷和改善对策[J].照明工程学报，2010，21（4）：31-33.

[3]林卫国.LED光谱电性参数测试技术的研究与开发 [D].武汉：武汉理工大学，2006.

[4]林继钢.LED检测中的问题 [J].上海计量测试，2008， 35 （5）： 66-67.

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