１概述

    自１９７６年第一个红光ＬＥＤ问世以来，经过3０年的发展，ＬＥＤ已形成各种光谱系列产品，单个ＬＥＤ的功率也从最初的零点零几瓦发展至几瓦乃至数十瓦。２００１年白光ＬＥＤ研制成功，人们期待ＬＥＤ最终能进入照明领域，甚至进入家庭照明。最新白光ＬＥＤ的研究成果更是激动人心。小功率ＬＥＤ的发光效率已达１００lm/W。特别是ＲＧＢ－ＬＥＤ的研究结果表明，ＬＥＤ也与常规三基色荧光灯一样，可以获得各种不同的色温和均匀的照明环境。

    ＬＥＤ光源的进展和人们对它在照明领域中应用的期待，也对相应的光学检测技术有了新的要求。由于ＬＥＤ的光学特性与传统光源有较大差别，需要研究开发适应这种新型光源的测量方法。

２国际照明委员会（ＣＩＥ）技术委员会（ＴＣ）相关ＬＥＤ的技术特性研究

    国际照明委员会（ＣＩＥ）的两个分部：Ｄ１（视觉和颜色分部）、Ｄ２（光和辐射测量分部），正在研究白光ＬＥＤ的显色性和相关的计量问题，并已转发Ｄ１∶ＴＣ１－６５，ＴＣ１－６２这两个研究色表的目视测量和ＬＥＤ的显色性的文件草案。

    ＴＣ１－６２文件《ＣｏｌｏｕｒＲｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆＷｈｉｔｅＬＥＤＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓ》可能部分替代ＣＩＥ１３．３－１９９５出版物。这两个文件已进入投票阶段。

    ＴＣ１－６２文件《ＣｏｌｏｕｒＲｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆＷｈｉｔｅＬＥＤＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓ》介绍了白光ＬＥＤ显色指数ＣＲＩ的目视实验结果。ＣＩＥ１３．３－１９９５出版物中规定了ＣＲＩ的计算方法，如果白光ＬＥＤ对ＣＲＩ进行计算的结果与目视结果有矛盾，文件确定存在这一矛盾。技术报告的结论是：应用包括白光ＬＥＤ在内的显色性计算时，ＣＩＥＣＲＩ并不适用。技术委员会建议Ｄ１建立一组新的显色指数，这些显色指数不立即替代目前的ＣＩＥ显色指数计算方法。新的显色指数作为ＣＩＥＣＲＩ的补充，在成功地应用组合新的显色指数后才能确定替代目前ＣＲＩ的计算方法。Ｄ２成立专门的技术委员会ＴＣ２－４５研究ＬＥＤ的测量方法：ＴＣ２－４５文件《Ｍｅａ-ｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＬＥＤＳ》正在投票中，它将会替代ＣＩＥ１２７出版物。

３ＬＥＤ发光效率极限值

    长期以来，半导体研究专家探索各种新技术以提高ＬＥＤ的内、外量子效率，２００６年已有小功率白光ＬＥＤ发光效率达１００ｌｍ/Ｗ的报导。为确定合理的ＬＥＤ发光效率期待值，需要从光度学、色度学的基础上计算ＬＥＤ发光效率极限值。

    １９７９年１０月，第十届国际计量大会（ＣＧＰＭ）定义了新坎德拉（ｃｄ）。坎德拉（ｃｄ）为发出单色辐射频率５４０．０１５４×１０１２Ｈｚ（波长５５５ｎｍ）的光源在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为：

    １ｃｄ＝（１/６８３）Ｗ/ｓｒ（波长５５５ｎｍ）；

    １ｃｄ＝１ｌｍ/ｓｒ；

    １Ｗ＝６８３ｌｍ（波长５５５ｎｍ）。

    如果忽略供电损耗、内量子效率、外量子效率数值，可以计算出各种光源和ＬＥＤ的发光效率极限值。

　　图１为人眼光谱光效率及理想等能白光的光谱功率分布。由于人眼的光谱响应特性，理想等能白光经加权计算后，可以得到在可见光谱范围内的理想等能白光极限发光效率为１８２．４５ｌｍ/Ｗ。

    在照明领域中，一种新型光源的诞生，其寿命、光效是重要的质量指标，但它对各种颜色的显色特性是照明光环境的另一重要质量指标。低压钠灯的２条黄色光谱线的理论发光效率可达４５０ｌｍ/Ｗ（如图2所示），实际光效超过２００ｌｍ/Ｗ。但由于它的显色特性差，最终被高压钠灯、金卤灯所替代。

    考察ＬＥＤ这一新型光源，在牺牲一些显色性指数Ｒａ的条件下与理想等能白光比较，白光ＬＥＤ的极限发光效率还会高一些，大约在２００ｌｍ上下。对于一个实际应用于照明领域中的白光ＬＥＤ，发光效率的目标值设定在１５０～１６０ｌｍ/Ｗ是合理的。

    除了照明应用的白光ＬＥＤ外，各种光谱的ＬＥＤ的发光效率也可根据图２所示的数据进行估算。图３是红、绿、蓝（６４３ｎｍ，５３５ｎｍ，４６０ｎｍ）ＬＥＤ的极限发光效率值。

４ＬＥＤ与传统光源的比较

    （１）ＬＥＤ体积小，有各种不同的外形尺寸，适用于不同应用场所（如图４所示）。

    （２）ＬＥＤ具有多种颜色，紫外、紫色、绿色、黄色、红色到红外，白光ＬＥＤ光谱如图５所示。

    （３）ＬＥＤ光学参数与温度有关（如图６、图７所示）；

    （４）ＬＥＤ光学参数与观察角度有关；

    （５）ＬＥＤ有各种不同的配光曲线，而且没有确定的光轴（如图８所示）。

    ＬＥＤ的上述特性，给ＬＥＤ光学特性的测量带来很多问题。

５ＬＥＤ光学特性的测量

    ＬＥＤ的光学特性检测应从下面几个特性来考虑：

    （１）发光强度；

    （２）总光通量；

    （３）光谱特性、色品坐标、主波长；

    （４）发光强度的空间分布和总光通量。

    ５．１发光强度

    由于ＬＥＤ的结构特点，为提高其发光效率，在其底部配装反射器，实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点，它并不是一个点光源。因此，在评价ＬＥＤ发光强度时，光度学中的距离平方反比定律不适用。ＣＩＥ１２７出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件如图９、图１０所示。

    应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。Ａ和Ｂ测量条件并不严格按照发光强度的定义进行，因此被称为“平均发光强度”（ＡＬＩ）。

    关于测量探测器的修正：由于测量探测器Ｖ（?姿）的配匹误差将造成“平均发光强度”（ＡＬＩ）的测量误差（如图１１所示），Ｖ（?姿）的配匹误差对红、蓝ＬＥＤ的测量结果影响更为严重，采用光谱修正方法可以提高测量精度。

　　探测器光谱匹配误差的修正与色校正系数（ＣＣＦ）的计算：

    Ｅｓ＝ｋ■Ｐｓ（?姿）Ｖ（?姿）ｄ?姿（１）

    Ｐｓ（?姿）为标准光源的相对光谱功率分布；

    Ｅｃ＝ｋ■Ｐｃ（?姿）Ｖ（?姿）ｄ?姿（２）

    Ｐｃ（?姿）为待测光源的相对光谱功率分布；

    ■＝■＝ｋ■（３）

    Ｓ（?姿）为探测器的相对光谱灵敏度，为测量标准光源和待测光源的信号值，精确的照度值为：

    Ｅｃ＝ｋ■Ｅｓ（４）

    对ＬＥＤ发光强度测量仪器的要求：

    （１）测量立体角要正确

    ｄΩ＝０．００１ｓｒ（Ａ条件）

    ｄΩ＝０．０１ｓｒ（Ｂ条件）

    （２）测量机械轴正确；

    （３）有效的防杂散光设计；

    （４）精密的Ｖ（λ）光探测器；

    （５）提供Ｖ（λ）光探测器光谱数据，便于修正测量值；

    （６）配备高稳定性的供电电源。

    ５．２ＬＥＤ光通量的测量

    应用分布式光度计可对ＬＥＤ总光通量进行精确测量（探测器光谱响应曲线已修正的条件下）。这是ＬＥＤ总光通量的绝对测量方法，但测试仪器昂贵，工业中常用积分球进行测量。

    （１）积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差；

    （２）镀层表面反射比越大，球内表面的响应率差异越少。目前在ＬＥＤ测试中，镀层表面反射比甚至大于９８％。

    （３）注意被测ＬＥＤ的安装位置，应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域；

    （４）应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。

    ５．３光谱特性、色品坐标、主波长的测量

    根据国际照明委员会（ＣＩＥ）三次ＬＥＤ国际专家会议的技术交流和相关国际对比结果，现建议如下：

    （１）国家计量部门应该采用双单色仪测量系统；

    （２）单色仪测量系统可满足工业部门应用；

    （３）１ｎｍ和５ｎｍ光谱测量带宽的色度测试结果比较接近，可采用５ｎｍ带宽测量；

    （４）主波长的对比测量差别很小；

    （５）ＣＣＤ测量仪器相对误差较大。

　　图１２是一些国际对比结果：ＣＣＤ仪器对白光ＬＥＤ的测量对比。

６标准ＬＥＤ

    ６．１ＬＥＤ光学特性测量的理论与技术基础

    （１）根据以上对ＬＥＤ光学特性的分析，国家计量部门和工