紫外发射二极管辐射度测试方法

周钢 刘秀娟 张嘉盈 吴杜雄

开发设计

紫外发射二极管辐射度测试方法

周钢1刘秀娟2张嘉盈3吴杜雄3

（1.深圳赛西信息技术有限公司，广东 深圳 518057 2.中国电子技术标准化研究院，北京 100176 3.广州赛西标准检测研究院有限公司，广东 广州 510700）

受国家节能环保政策及新型冠状病毒肺炎疫情等因素影响，紫外发射二极管凭借自身优势在市场上广泛普及，但存在辐射度测试标准缺失问题。制定紫外发射二极管辐射度测试方法的行业标准，分析测试仪器及评价指标的要求，开展相关试验验证，为紫外发射二极管的产品质量提供测评手段。

紫外发射二极管；辐射度；测试方法

0 引言

紫外发射二极管（ultraviolet emitting diode, UV LED）是指在一定电流激励下，可发射紫外光的半导体二极管。UVLED具有节能环保、体积小、结构牢固、易控制等特点，逐渐取代传统紫外光源，广泛应用于紫外固化、卫生消毒、分析测试、防伪检测、医疗诊断和环境净化等领域。2017年8月正式实施的《关于汞的水俣公约》限定了汞的使用、排放以及2020年新型冠状病毒肺炎疫情在全球迅速蔓延，都为UVLED产业的发展提供重要契机。

虽然紫外辐射小剂量时对人体无害，但大剂量时会给眼睛及皮肤造成危害[1]，如皮肤红斑、晶状体白内障、光致角膜炎、电光性眼炎等。近年来，随着UV LED的生物效应越来越受到重视，评价UV LED产品质量的辐射度指标也倍受关注。

1 标准化现状

UV LED的核心部分是由P，N型半导体构成的PN结，当正向电流导通PN结时，电子和空穴相互结合并释放出紫外光。UV LED工作机理不同于汞灯等传统紫外光源，现有的紫外光源国内外标准不适用于UV LED辐射度测试，如QB/T 2989—2008《紫外线高压汞灯紫外辐照度及电参数测量方法》等[2]。UV LED的紫外波长为（200～400）nm，普通LED的可见光波长为（380～780）nm，普通LED的国内外标准只规定可见光的光度、色度等测试，不涉及紫外辐射度测试。因此，现有普通LED的国内外标准也不适用于UV LED辐射度测试，如SJ/T 11394—2009《半导体发光二极管测试方法》等[3]。

研究UV LED辐射度测试方法，制定行业标准，规定测试条件、测试仪器、评价指标等，可为产品技术评价和质量控制提供有力依据，对促进UVLED行业的健康发展具有重要意义。

2 测试仪器

2.1 积分球-光谱仪系统

UV LED辐射度测试方法可分为相对法与绝对法。其中，积分球-光谱仪系统采用相对法测试辐射度；测角仪-紫外探头-光谱仪系统采用绝对法测试辐射度。

积分球-光谱仪系统结构如图1所示。积分球装有辅助灯，用于测试UV LED及球内物件的自吸收系数，辅助灯光谱与UV LED光谱接近，且辐射通量不随时间而变化。积分球内壁为无光谱选择性、无荧光的漫反射涂层，有较强的耐紫外线能力，可避免黄化现象。推荐涂层使用反射率为0.85以上的涂料，以使积分球具有更好的光谱性能和更好的稳定性[4]。积分球内部的所有物件，如挡板、UV LED安装支架、辅助夹具等，都会影响测试结果，因此它们外形尺寸应尽可能小，且具有紫外高反射率的表面。推荐积分球内部的所有物件选用的涂料表面反射率在0.85以上，且具有无光谱选择性和漫反射特性。

图1 积分球-光谱仪系统结构图

光谱仪要覆盖UV LED的紫外波长范围，且具有线性响应度；可采用双单色仪或单单色仪，并符合GB/T 26179—2010《光源的光谱辐射度测量》的要求，带宽不大于2 nm，波长分辨率不大于0.2 nm[5]。积分球-光谱仪系统进行总光谱辐射通量的标定后，可测试辐射通量、辐射效率、峰值波长、中心波长、光谱半宽等。

2.2 测角仪-紫外探头-光谱仪系统

测角仪-紫外探头-光谱仪系统结构图如图2所示。测角仪的角度扫描范围需覆盖UV LED的全部辐射空间角度，准确度应在±0.5°之内，角度分辨力≥0.1°。

图2 测角仪-紫外探头-光谱仪系统结构图

在一些角度区域内，UV LED发出的紫外辐射可能被测角仪-紫外探头-光谱仪系统的机械结构遮挡，使这些紫外辐射无法被紫外探头接收。通过推算立体角包含的这一角度区域内的辐射照度分布，可对UV LED的总辐射通量进行修正。

测角仪-紫外探头-光谱仪系统置于光学暗室中，以避免杂散光影响测试结果。光学暗室中所有物件表面采用紫外低反射材料，不存在荧光现象。该系统采用溯源至SI单位的氘灯进行光谱辐射照度的标定后，可测试辐射强度、辐射强度分布、半强度角、辐射通量、辐射效率、峰值波长、中心波长、光谱半宽等。

3 评价指标

3.1 辐射照度

在光学暗室中，采用具有光谱辐射照度功能的紫外光谱仪直接测试UV LED的辐射照度，测试原理如图3所示。UV LED与紫外探头之间设置不同孔径的光阑，以避免杂散光影响测试结果。

图3 辐射照度测试原理

测试UV LED的辐射照度时，UV LED与紫外探头之间的测试距离按CIE 127：2007《LED测量》推荐的标准条件A或条件B设置，如表1所示。在这2种条件下，紫外探头都要求有一个面积为100 mm2的圆入射孔径。

表1 CIE 127推荐的标准条件A或条件B

3.2 辐射强度、辐射强度分布和半强度角

在测试距离不小于UV LED辐射面最大尺寸10倍的远场条件下，采用测角仪-紫外探头-光谱仪系统直接测试UV LED的不同空间角度辐射照度，根据辐射照度与测试距离平方反比关系，按式(1)计算辐射强度。

3.3 辐射通量和辐射效率

采用积分球-光谱仪系统或测角仪-紫外探头-光谱仪系统测试辐射通量。当测角仪-紫外探头-光谱仪系统的测试死角（机械结构遮挡）不影响辐射通量的准确度时，可采用该系统测试辐射通量[6]。

积分球-光谱仪系统根据已知光谱辐射通量的标准灯标定比较后，直接测试UV LED的光谱辐射通量，并按式(3)计算UV LED的总辐射通量[7]。

UV LED与标准灯的光谱、尺寸、外形等有较大差异时，可能会产生较大测试误差，需用自吸收修正系数按式(4)、式(5)修正测试结果。

测角仪-紫外探头-光谱仪系统直接测试不同空间角度UV LED的辐射照度分布，采用辐射照度积分法，按式(6)计算UV LED的总辐射通量。

根据积分球-光谱仪系统或测角仪-紫外探头-光谱仪测试UV LED的总辐射通量与其消耗的电功率的比值，按式(7)计算辐射效率。

3.4 峰值波长、中心波长和光谱半宽

图4 相对光谱辐射功率分布曲线图

4 试验验证

分别选取2个385 nm UV-A LED（1号、2号）、275 nm UV-C LED（3号、4号）为测试对象，采用积分球-光谱仪系统测试其峰值波长、辐射通量、辐射效率等指标。测试中，测试场所应保持清洁干净，无腐蚀性气体，周围环境无影响测试仪器正常工作的粉尘、震动和电磁场的干扰。测试仪器及UV LED达到稳定状态后进行测试。判定UV LED稳定工作的条件为：在15 min内，紫外辐射（辐射通量、辐射照度或辐射强度）变化小于0.5%。UV LED的测试数据如表2所示。

表2 UV LED的测试数据

由表2可知：UV-C LED的辐射效率远低于UV-A LED的辐射效率，且两者的辐射效率相对于普通LED较低。

UV LED大部分电能转化为热能，应注重改进应用材料及封装方式，以不断提高辐射效率；同时加强

UV LED散热结构设计，以改善UV LED使用寿命。

5 结语

针对UV LED缺失辐射度测试标准问题，本文提出制定行业标准的建议，从测试仪器及评价指标等方面进行分析，通过相关试验验证UV LED辐射度测试方法可行性，为UV LED的产品质量评价提供依据。由于UV LED的发射波长短，辐射能量大，其紫外辐射对人眼和皮肤具有一定的光生物危害。在测试时，应减少皮肤裸露并佩戴紫外防护眼镜及穿防护服进行保护，也应注意其他仪器受到UV LED紫外辐射造成的老化等问题。

[1] 王震.紫外辐射通量的测量研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[2] 全国照明电器标准化技术委员会.QB/T 2989―2008紫外线高压汞灯紫外辐照度及电参数测量方法[S].北京:中国轻工业出版社, 2008.

[3] 工业和信息化部电子工业标准化研究所. SJ/T 11394—2009半导体发光二极管测试方法[S].北京:中国电子技术标准化研究所,2009.

[4] 林金强.积分球法测量LED光通量的可靠性研究[D].厦门:厦门大学,2013.

[5] 全国照明电器标准化技术委员会.GB/T 26179—2010光源的光谱辐射度测量[S].北京:中国标准出版社,2011.

[6] 万小玲，杨静华.影响积分球-光谱仪系统测试结果的因素分析[J].中国照明电器,2018(11):37-40.

[7] 宋立,李倩,陈聪,等.紫外LED辐射通量测量的挑战与应对[J].照明工程学报,2019,30(5):107-110.

[8] 李伟铭,柳挺,黄河山,等.半导体照明产品的光通量测量方法研究[J].电子测试,2019(2):73-75.

Test Method for Emittance of Ultraviolet Emitting Diodes

Zhou Gang1Liu Xiujuan2Zhang Jiaying3Wu Duxiong3

(1.Shenzhen CESI Information Technology Co., Ltd. Shenzhen 518057, China 2.China Electronics Standardization Institute, Beijing 100176, China 3.CESI (Guangzhou) Standards & Testing Institute Co., Ltd. Guangzhou 510700, China)

Affected by the national energy conservation and environmental protection policy and COVID-19 epidemic, prompting UV LED to be popular in the market, but the lack of radiance test standards, it is necessary to formulate industry standards of UV LED radiance measuring method, analyze the requirements of equipment and evaluation indicators, carry out relevant tests and verification, and provide evaluation means for the quality of UV LED.

UV LED; radiance; measuring method

周钢，男，1981年生，硕士，高级工程师，主要研究方向：光电标准化及检测。E-mail: zhougang@cesi-gz.org.cn

刘秀娟，女，1983年生，硕士，高级工程师，主要研究方向：半导体光电和显示标准化。E-mail: liuxiujuan@cesi.cn

张嘉盈，女，1998年生，本科，主要研究方向：标准化。E-mail: zhangjy@cesi-gz.org.cn

吴杜雄（通信作者），男，1986年生，硕士，高级工程师，主要研究方向：光电标准化及检测。E-mail: wudx@cesi-gz.org.cn

TN23

A

1674-2605(2021)04-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.04.006