LED技术的应用与测量

2015-06-07刘素洁李张标

计量技术 2015年9期

关键词：光通量光度计显示屏

刘素洁李张标

(宁波市计量测试研究院，宁波 315048)

LED技术的应用与测量

刘素洁李张标

(宁波市计量测试研究院，宁波 315048)

本文介绍了LED的发展史，讨论了LED在显示屏、照明及交通等方面的应用，最后对LED常用的几个评价参数进行了说明，旨在让LED光源引起人们的关注，推动LED节能减排新光源的研究。

LED；发光强度；总光通量；光谱能量分布；发光效率

0 引言

节约能源是我们未来面临的重要的问题，LED(Light Emitting Diode)即发光二极管,是一种半导固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，直接发出红、黄、绿、青、橙、紫、白色的光。LED作为一种新型的绿色光源产品，在全球能源日益枯竭的今天受到了越来越多国家的青睐，各国争相对其进行研究，并将其应用到更广泛的领域。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，必然是未来发展的趋势，通过LED的应用可以减少电力使用及污染物的排放，同时LED本身易于回收，没有汞等有害污染问题，因而LED对推进节能减排具有十分重要的意义。本文对LED在显示屏、照明、交通信号、汽车等领域的应用加以说明，对LED测量技术作了简要分析，目的是对LED作通俗的介绍，旨在让LED光源引起人们的关注，推动LED节能减排新光源的研究。

1 LED的发展史

50万年以前，人类便发现了火，在电灯发明以前，燃烧产生的火焰是唯一的人造光源。直到1879年，爱迪生发明了白炽灯，开创了照明的新纪元。自此之后，电光源照明开始飞速发展，相继出现了荧光灯、HID灯和现在的LED。前三种光源经过了50～120年的发展才达到现在的光效水平，而LED却有巨大的潜能，不仅可以达到这些光源的光效水平，甚至可以翻倍。

1962年美国通用电气公司(GE)半导体实验室发明了第一个适用的发可见光的LED光源，当时所用的材料是GaAsP，发红光，在驱动电流为20mA时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率仅约0.1lm/W。从70年代初期到中期,引入元素In和N，使LED产生绿光、黄光和橙光，光效也提高到1 lm/W。在90年代初，两种新材料的LED光源被开发出来，即发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN。这两种材料的开发成功，使LED的光效又得到大幅度的提高。图1是不同材料体系对应的LED的发光光谱。

图1 不同材料体系对应的发光光谱

2 LED的应用

LED与半导体照明产业已经成为21世纪最具有发展前景的高新技术产业。随着节能和环保要求的不断提高，LED这种新型光源的适用范围不断扩大，正在引发全球性的照明光源和显示的革命。总体说来LED主要应用在3个方面，分别是LED显示屏、LED照明及交通信号灯。

LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，如证券交易所的信息显示，车站、码头、机场航班的动态信息显示，体育场馆的信息显示等。LED显示屏也从单一的颜色发展到了现在的全彩色，走在街上，随处可见户外显示屏上播放的广告信息，为夜晚的城市增添了一抹亮丽。随着LED器件材料性能的不断提高，全彩色显示屏的成本下降，应用也就不断地增加，现在市场上已经出现了LED彩电，它比液晶彩电更加的轻薄，相信在不久的将来，它将全面取代液晶彩电。

在LED显示屏大范围应用的同时，LED作为新型照明光源，近年也取得了突破性发展。

如今城市建设步伐加快，户外照明的数量与日俱增，随之而来的能源浪费、光污染等负面问题，使得政府不得不出台相关政策进行规范，倡导节能经济、“环保建城”、“绿色照明”已成为城市建设的代言。而作为“绿色照明”的新生力量，LED半导体照明的光源是一种光电转化率极高的冷光源，耗电仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可以延长100倍，具有发光纯度高、使用安全、免维护、无污染等优点，在提倡绿色环保、高效节能的今天，得到了世界各国的大力推广。

超高亮、大功率的LED器件，在城市交通信号灯中也已得到广泛的采用。LED信号灯有高亮度、高可靠性、低使用成本、长寿命等特点。此外，LED快速的开关特性在机动车尾灯的应用上可以得到完美的体现。尤其是刹车灯上的应用，它可以给驾驶者提供更多的反应时间，提高驾车的安全性。LED的独特之处是它的寿命很长，这一特性使得它可以应用到对长期的稳定性能有较高要求的地方，例如交通灯[1]。

3 LED的测量

LED的发光面小、光束狭窄和亮度高等特点决定了其检测的特殊性，为了应对这个问题，CIE(国际照明委员会)分别成立了“TC2-45 LED测量”和“TC2-46 CIE/ISO LED强度测量标准”两个技术委员会，制定并推荐了CIE 127-1997LED测量标准，它涉及LED辐射度、光度和色度测量。但是由于近年来LED的技术发展迅速，尤其是照明用白光LED的产品，许多问题都是过去所未考虑到的，后来又制定了白光LED照明器具标准。

LED照明产品评价体系应包括光学特性、电气特性、机械特性、温度特性、安全特性和老化特性等。其中，光学特性包括光通量、光分布、亮度、光谱分布、色度坐标、显色指数等；电气特性包括工作电压、工作电流等；温度特性包括使用环境温度、最高结温限制等；安全特性主要指产品的防静电、防水、防尘、防爆以及抗电磁干扰等特性；老化特性主要包括光通量及色度坐标随工作时间的变化等[3]。尽管LED的测量参数很多，但应用最多的是光学评价参数，下面针对评价LED特性的最基本的3个参数进行简单的介绍。

3.1 发光强度[2-3]

严格说来，发光强度只适用于点光源。对于LED来讲，其发光面是圆盖形状的，光分布呈余弦分布，所以在不同的测量距离下，光强值会变化，偏离距离平方反比定律。即使固定了测量距离，但是由于接收器的接收面积不同，其光强值也会变化。因此，对LED光强进行测量时，需要确定测量的参考方向和需要测量的立体角。对于参考方向的选择可以选取机械轴、光学轴和峰值强度轴作为参考轴，目前的标准中一般选取机械轴作为参考方向。另外，LED的光强分布随角度的变化而变化，因而LED强度的测量与检测器的孔径和形状有关，而通过光度计光阑实际上将测试结果平均化了。

根据CIE127规定的几何条件，光度计光阑应为1cm2(圆形)；光度计与被测LED之间的距离为316mm(远场)或100mm(近场)。在这样规定的几何条件下使测试结果具有可重现性和可比性。

3.2 光通量[4]

CIE127-2007文件认为，变角光度计和球形光度计均可用于LED总光通量的测量。图2显示球形光度计的一种最简单的形式。目前国外大部分测量用积分球在5.08cm以下，这也是不同实验室测量不一致性的原因之一，原则上积分球越大越好。在要求精密测量的场合，LED和支架的反射和吸收特性会影响测量精度，要用辅助灯方法加以校正。对于超高亮度LED而言，由于发射的光和辐射能量大，必须采用合适大小的积分球，不使被测器件有明显的温升。

图2 总光通量测试原理图

3.3 光谱能量分布

LED光谱能量分布P(l ) 测量是LED颜色相关光学特性评价的基础[7]，通常采用光谱辐射计进行测量。目前在世界范围内，大多采用CCD光谱仪加小光纤输入的形式。通常是用0.3cm2的输入光纤，而输入光纤是一个重要误差源，解决的办法是采用积分球、光纤组合，可获得优秀的空间均匀性[8]。

3.4 发光效率

发光效率正确的表示方法应该是用LED的光输出功率与其消耗的电功率之比，表示LED将电能转化为光能的效率，是一个无量纲量。发光效能是指光源发出的光通量除以光源功率所得之商，简称光源的光效，单位为流明每瓦特(lm/W)。实际使用中发光效能也经常用发光效率来称呼。对于白光LED器件或照明灯具来讲，影响其发光效率的因素主要包括LED芯片的量子效率、荧光粉的转换效率、LED器件的光提取效率或灯具的光能利用效率以及器件或灯具的散热能力，其中器件的量子效率与器件的结温直接相关。