LED照明的光色测量基础知识

照明的光色测量基础学问LED一，引言发光二极管（LED）作为新兴的发光体，具有电光效率高,体积小，寿命长，电压低，节能和环保等优点，是下一代照明器件的不二之选LED的发展受到国内外的普遍关注，新产品，新技术层出不穷近年来，LED产业发展快速，光效不断增加，亮度不断提高，如今，LED已经渗透到了大量的应用场合，尤其是白光LED技术的不断进步，LED在照明领域的应用也已经越来越普及图1LED产业的发展的工作1,LED原理发光二极管（LED）是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由PN结芯片，电极和光学系统等组成LED的基本的工作原理是一个电光转换过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要及导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向外辐射，电子和空穴的能量差越大，产生的光子的能量就越高能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜色就不同图2LED的工作原理的光参数2,LED图3LED的主要光参数

（1）光通量光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即辐射功率（或辐射通量）能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量光通量的符号为

①，单位为流明（Im）o依据光谱辐射通量

①（入），由下式可确定光通量r780

①=太」如

①（孙/⑷方式中V（入）为相对光谱光视效率，Km为辐射的光谱光视效能的最大值，单位为lm/W,1977年由国际计量委员会确定Km值为6831m/W（入m=555nm）

（2）光强度光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角元dQ内传输的光通量d

①除以该立体角元之商，即d

①公就发光强度的单位是坎德拉cd,lcd=llm/lsr空间o各个方向的光强之和就是光通量3光亮度光源发光表面上某一点处的亮度是该面元dS在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之商，即L一九单位为坎德拉每平dS・cosd方米cd/m2当发光表面及测量方向垂直时，则cos4光照度表面上一点的照度是入射在包含该点面元上的光通量d

①除以该面元面积dS之商即一定单位为勒克斯lx,llx=llm/m2o5其它光谱,色品坐标，主波长和色纯度，色和顺相关色温，显色性和显色指数等图4其他参数3,光色测量的必要性1避开危害LEDLED及传统的照明灯不同，它具有点光源，高亮度，窄光束输出等特点当LED应用于照明器具时，假如对出光角不加严格的限制就会产生猛烈的眩光，某些高亮度LED产品甚至会对人体造成确定的光辐射危害光色测量可为LED的平安运用供应指导2促进LED产业的发展LED的光色测量能供应大量的试验数据，可作为判定LED产品合格及否的标准，并可为改进LED的设计，制造供应依据二，的光色测量LED光通量1积分法测得LED在各个方向的光强，然后由这些光1,强值计算得到LED的总光通量图5积分球法测LED光通量2积分球法积分球又称为光通球，是一个中空的完整球壳内壁涂白色漫反射层,且球内壁各点漫射匀整光源在球壁上随意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的由积分学原理可得，球面上随意一点的光照度为及光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的标准灯及被测灯进行比较得到被测灯的光通量，如图6a所示但是由于标准灯及被测灯的物理结构以及性质的不同，如吸取，在利用积分球法测试光通量时须要对测试结果进行修正，可接受帮助灯的方法，如图6b所示图6积分球法测LED光通量32p立体角光通量的测试利用积分球法测试LED光通量时还有一种测试结构，如图7所示，称为前射光通量的测试或2P立体角光通量该测试并不是测试LED的总光通量，但是人们经常将其及测试LED的总光通量混淆图7LED的2p立体角光通量测试2,光强度对于LED的光强的测试，CIE-127规定了两种测试条件，如图8和表1所示图8LED光强测试表1CIE-127规定了两种测试条件测试条件条件d

31.6cm da

0.001srA条件B10cm OOItx光亮度LED亮度的测试一般应用于测试LED芯片的亮度和评价LED光辐射平安性的过程中测试一般接受成像法，对于芯片的测试可以接受显微成像进行测量图9b图9LED亮度测试4,光照度光照度事实上并不能算是LED的光学参数，照度是表示被照耀表面受照程度的光学量而且测试单个LED的对某点或某面的照度没有太大意义，因为一般状况下对实际场合的照明都是由多个LED共同完成的5,其它参数色品坐标，主波长和色纯度，色和顺相关色温，显色性和显色指数等参数的测试可以利用相关色度计或者接受光谱仪进行测试三，的光辐射平安性测试及评价近年来，LED的光辐射平安受到LED越来越多的关注，因此本文也对此作一下简洁介绍浙江高校三色仪器在国内首先开展了光辐射平安测试的探讨，并及国家电光源检测中心共同起草了非相干光源的光生物平安性国家标准目前，浙大三色在LED的光辐射平安测试方面又取得新的进展，为Philips公司进行了照明LED测试工作，探讨完成了具有中国自主学问产权的LED辐射平安检测系统下面以我们做的测试实例介绍一下LED光辐射平安性测试及评价的大体过程被测白光1,LED

（1）LED工作条件灯管电流

0.417A,电压12V直流，功率5W

（2）实物图及光谱分布图10被测LED实物及光谱分布表观光源的测试如图11所示，我们利用表观光源2,测试系统对白光LED进行了测试，上述9幅图是在0度（正对）和90度方向上间隔10度拍摄得到的表观光源像理论上我们应当按各个方向进行光平安的测试评价，但是本文为简洁起见只对0度方向的状况进行测试评价（因为该方向光输出最强），其它角度可以此类推0度方向表观光源大小为直径

2.5cm的圆斑图H白光LED表观光源测试四，光色测量及照明评价LEDLED照明的最终目的是取得最佳的照明效果，而推断照明效果的好坏也取决于LED的光色测量现行的照明评价现行的照明评价主要是依据几1,个主要光学基本量光通量，光亮度，光强度和光照度等来进行评价，其中前三个基本量主要用于光源的评价，光照度则是对光源光辐射作用面的评价这些光学基本量是依据人眼的生物物理特性得到的一个国际照明委员会（CIE）认可光谱光视效率函数V（入）及对应的辐射度量加权积分的结果，满意关系辘曼（力昌（糊掖量式中的MKm=6831m/Wo存在的问题及不足人眼的生物物理机理特别困难，不同2,状况下对光刺激的响应也不同，大体上可以分为明视觉，暗视觉和中间视觉，其中中间视觉尤其困难，因此上述的光谱光视效率并不能精确地表示照明的实际效果如图13所示同一个光源在明视觉和暗视觉下对人眼造成的刺激值明显不同另外，国内现行的照明评价缺乏对光生物平安性的考虑，这可能会对人体造成不同程度的危害3,解决方法

（1）测试方法及仪器接受全光谱法测得LED的光谱分布，如图11所示，利用光谱仪进行分光测试

（2）评价方法a）照明效果依据不同视觉条件接受不同的光谱光视效率函数加权LED光谱分布数据，得到被测光源光辐射在对应视觉条件下的实际照明效果例如，暗视觉时接受暗视觉光谱光是效率函数，明视觉时接受明视觉光谱光是效率函数，中间视觉接受中间视觉光谱光是效率函数b）光生物平安性依据危害种类的接受对应的效果函数加权LED光谱分布数据得到实际危害效果总之，LED照明评价应当符合人体实际的生物物理需求五，总结及展望第一，LED产业的发展离不开LED的光色测量技术，而为了适应LED的照明应用，将来的光色测量技术应当有新的突破其次，LED照明及光色测量应当以人为本，一切以适应人类的实际要求为导向第三，当前任务

（1）加强人体相关的生物学基础理论的探讨，促进学科的交叉合作

（2）及国际接轨，加快规范性文件的制定及实施，努力并主动地参及CIE,IEC等国际知名组织的活动

（3）加大科研投入，研发具有自主学问产权的光色测量仪器

（4）加强各类测试技术的探讨，培育专业的测试人员，并加快提高质检机构的装备水平和检测实力。