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一、引言

　　

　　發(fā)光二極管（led）作為新興的發(fā)光體，具有電光效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、電壓低、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是下一代照明器件的不二之選。LED的發(fā)展受到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。近年來(lái)，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光效不斷增加，亮度不斷提高，如今，LED已經(jīng)滲透到了大量的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是白光LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)越來(lái)越普及。





圖1：LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展



　　1、LED的工作原理

　　

　　發(fā)光二極管（LED）是一種能把電能轉(zhuǎn)化為光能的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)等組成。LED的基本的工作原理是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換過(guò)程，當(dāng)一個(gè)正向偏壓施加于PN結(jié)兩端，由于PN結(jié)勢(shì)壘的降低，P區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子也向P區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)在兩個(gè)區(qū)域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子是不穩(wěn)定的，對(duì)于PN結(jié)系統(tǒng)，注入到價(jià)帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，電子和空穴的能量差越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。能量級(jí)差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長(zhǎng)就不同，相應(yīng)的光的顏色就不同。



圖2：LED的工作原理



　　2、LED的光參數(shù)

（1）光通量

　　

　　光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，也即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺(jué)系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。光通量的符號(hào)為Φ，單位為流明（lm）。根據(jù)光譜輻射通量Φ（λ），由下式可確定光通量。

　　式中V（λ）為相對(duì)光譜光視效率，Km為輻射的光譜光視效能的最大值，單位為lm/W，1977年由國(guó)際計(jì)量委員會(huì)確定Km值為683lm/W（λm=555nm）。

　　（2）光強(qiáng)度

　　光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在該方向的立體角元dΩ內(nèi)傳輸?shù)墓馔�量dΦ除以該立體角元之商，即：



　　發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（cd），1cd=1lm/1sr。空間各個(gè)方向的光強(qiáng)之和就是光通量。

　　　（3）光亮度

　　

　　光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度是該面元dS在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之商，即：

　　單位為坎德拉每平方米（cd/㎡）。當(dāng)發(fā)光表面與測(cè)量方向垂直時(shí)，則cosθ=1。



　　（4）光照度

　　

　　表面上一點(diǎn)的照度是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量dΦ除以該面元面積dS之商。即：

單位為勒克斯（lx），1lx=1lm/㎡。

　　

　　（5）其它

　　

　　光譜、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等。



圖4：其他參數(shù)

　3、LED光色測(cè)量的必要性

　　

　　（1）避免危害

　　

　　LED與傳統(tǒng)的照明燈不同，它具有點(diǎn)光源、高亮度、窄光束輸出等特點(diǎn)。當(dāng)LED應(yīng)用于照明器具時(shí)，如果對(duì)出光角不加嚴(yán)格的控制就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光，某些高亮度LED產(chǎn)品甚至?xí)��?duì)人體造成一定的光輻射危害。光色測(cè)量可為L(zhǎng)ED的安全使用提供指導(dǎo)。

　　

　　（2）促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

　　

　　LED的光色測(cè)量能提供大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作為判定LED產(chǎn)品合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，并可為改進(jìn)LED的設(shè)計(jì)、制造提供依據(jù)。

　　


　　三、LED的光輻射安全性測(cè)試與評(píng)價(jià)

　　

　　近年來(lái)，LED的光輻射安全受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此本文也對(duì)此作一下簡(jiǎn)單介紹。

　　

　　浙江大學(xué)三色儀器有限公司在國(guó)內(nèi)首先開展了光輻射安全測(cè)試的研究，并與國(guó)家電光源檢測(cè)中心共同起草了非相干光源的光生物安全性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前，浙大三色在LED的光輻射安全測(cè)試方面又取得新的進(jìn)展，為Philips公司進(jìn)行了照明LED測(cè)試工作，研究完成了具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LED輻射安全檢測(cè)系統(tǒng)。下面以我們做的測(cè)試實(shí)例介紹一下LED光輻射安全性測(cè)試與評(píng)價(jià)的大體過(guò)程。

　　

　　1、被測(cè)白光LED

　　

　　（1）LED工作條件

　　

　　燈管電流0.417A，電壓12V直流，功率5W。

　　

　　（2）實(shí)物圖與光譜分布



圖10：被測(cè)LED實(shí)物與光譜分布



　　2、表觀光源的測(cè)試

　　

　　如圖11所示，我們利用表觀光源測(cè)試系統(tǒng)對(duì)白光LED進(jìn)行了測(cè)試，上述9幅圖是在0度（正對(duì)）和90度方向上間隔10度拍攝得到的表觀光源像。理論上我們應(yīng)該按各個(gè)方向進(jìn)行光安全的測(cè)試評(píng)價(jià)，但是本文為簡(jiǎn)單起見只對(duì)0度方向的情況進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)（因?yàn)樵摲较蚬廨敵鲎顝?qiáng)），其它角度可以此類推。0度方向表觀光源大小為直徑2.5cm的圓斑。



圖11：白光LED表觀光源測(cè)試

四、LED光色測(cè)量與照明評(píng)價(jià)

　　

　　LED照明的最終目的是取得最佳的照明效果，而判斷照明效果的好壞也取決于LED的光色測(cè)量。

　　

　　1、現(xiàn)行的照明評(píng)價(jià)

　　

　　現(xiàn)行的照明評(píng)價(jià)主要是根據(jù)幾個(gè)主要光學(xué)基本量：光通量、光亮度、光強(qiáng)度和光照度等來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中前三個(gè)基本量主要用于光源的評(píng)價(jià)，光照度則是對(duì)光源光輻射作用面的評(píng)價(jià)。這些光學(xué)基本量是根據(jù)人眼的生物物理特性得到的一個(gè)國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）認(rèn)可光譜光視效率函數(shù)V（λ）與對(duì)應(yīng)的輻射度量加權(quán)積分的結(jié)果，滿足關(guān)系：



　式中的Km=683lm/W。

　　2、存在的問(wèn)題與不足

　　

　　人眼的生物物理機(jī)理非常復(fù)雜，不同情況下對(duì)光刺激的響應(yīng)也不同，大體上可以分為明視覺(jué)、暗視覺(jué)和中間視覺(jué)，其中中間視覺(jué)尤其復(fù)雜，因此上述的光譜光視效率并不能確切地表示照明的實(shí)際效果。如圖13所示：同一個(gè)光源在明視覺(jué)和暗視覺(jué)下對(duì)人眼造成的刺激值明顯不同。另外，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的照明評(píng)價(jià)缺乏對(duì)光生物安全性的考慮，這可能會(huì)對(duì)人體造成不同程度的危害。



3、解決方法

　　

　　（1）測(cè)試方法與儀器

　　

　　采用全光譜法測(cè)得LED的光譜分布，如圖11所示，利用光譜儀進(jìn)行分光測(cè)試。



（2）評(píng)價(jià)方法

　　

　　a）照明效果

　　

　　根據(jù)不同視覺(jué)條件采用不同的光譜光視效率函數(shù)加權(quán)LED光譜分布數(shù)據(jù)，得到被測(cè)光源光輻射在對(duì)應(yīng)視覺(jué)條件下的實(shí)際照明效果。例如，暗視覺(jué)時(shí)采用暗視覺(jué)光譜光是效率函數(shù)，明視覺(jué)時(shí)采用明視覺(jué)光譜光是效率函數(shù)，中間視覺(jué)采用中間視覺(jué)光譜光是效率函數(shù)。

　　

　　b）光生物安全性

　　

　　根據(jù)危害種類的采用對(duì)應(yīng)的效果函數(shù)加權(quán)LED光譜分布數(shù)據(jù)得到實(shí)際危害效果。

　　

　　總之，LED照明評(píng)價(jià)應(yīng)該符合人體實(shí)際的生物物理需求。

　　

　　五、總結(jié)與展望

　　

　　第一、LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開LED的光色測(cè)量技術(shù)，而為了適應(yīng)LED的照明應(yīng)用，未來(lái)的光色測(cè)量技術(shù)應(yīng)該有新的突破。

　　

　　第二、LED照明與光色測(cè)量應(yīng)該以人為本，一切以適應(yīng)人類的實(shí)際要求為導(dǎo)向。

　　

　　第三、當(dāng)前任務(wù)：

　　

　　（1）加強(qiáng)人體相關(guān)的生物學(xué)基礎(chǔ)理論的研究，促進(jìn)學(xué)科的交叉合作。

　　

　　（2）與國(guó)際接軌，加快規(guī)范性文件的制定與實(shí)施，努力并積極地參與CIE、IEC等國(guó)際知名組織的活動(dòng)。

　　

　　（3）加大科研投入，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光色測(cè)量?jī)x器。

　　

　　（4）加強(qiáng)各類測(cè)試技術(shù)的研究，培養(yǎng)專業(yè)的測(cè)試人員，并加快提高質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的裝備水平和檢測(cè)能力。