１概述
自１９７６年第一個紅光ＬＥＤ問世以來，經(jīng)過3０年的發(fā)展，ＬＥＤ已形成各種光譜系列產(chǎn)品，單個ＬＥＤ的功率也從最初的零點零幾瓦發(fā)展至幾瓦乃至數(shù)十瓦。２００１年白光ＬＥＤ研制成功，人們期待ＬＥＤ最終能進入照明領(lǐng)域，甚至進入家庭照明。最新白光ＬＥＤ的研究成果更是激動人心。小功率ＬＥＤ的發(fā)光效率已達(dá)１００l(fā)m/W。特別是ＲＧＢ－ＬＥＤ的研究結(jié)果表明，ＬＥＤ也與常規(guī)三基色熒光燈一樣，可以獲得各種不同的色溫和均勻的照明環(huán)境。
ＬＥＤ光源的進展和人們對它在照明領(lǐng)域中應(yīng)用的期待，也對相應(yīng)的光學(xué)檢測技術(shù)有了新的要求。由于ＬＥＤ的光學(xué)特性與傳統(tǒng)光源有較大差別，需要研究開發(fā)適應(yīng)這種新型光源的測量方法。
２國際照明委員會（ＣＩＥ）技術(shù)委員會（ＴＣ）相關(guān)ＬＥＤ的技術(shù)特性研究
國際照明委員會（ＣＩＥ）的兩個分部：Ｄ１（視覺和顏色分部）、Ｄ２（光和輻射測量分部），正在研究白光ＬＥＤ的顯色性和相關(guān)的計量問題，并已轉(zhuǎn)發(fā)Ｄ１∶ＴＣ１－６５，ＴＣ１－６２這兩個研究色表的目視測量和ＬＥＤ的顯色性的文件草案。
ＴＣ１－６２文件《ＣｏｌｏｕｒＲｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆＷｈｉｔｅＬＥＤＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓ》可能部分替代ＣＩＥ１３．３－１９９５出版物。這兩個文件已進入投票階段。
ＴＣ１－６２文件《ＣｏｌｏｕｒＲｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆＷｈｉｔｅＬＥＤＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓ》介紹了白光ＬＥＤ顯色指數(shù)ＣＲＩ的目視實驗結(jié)果。ＣＩＥ１３．３－１９９５出版物中規(guī)定了ＣＲＩ的計算方法，如果白光ＬＥＤ對ＣＲＩ進行計算的結(jié)果與目視結(jié)果有矛盾，文件確定存在這一矛盾。技術(shù)報告的結(jié)論是：應(yīng)用包括白光ＬＥＤ在內(nèi)的顯色性計算時，ＣＩＥＣＲＩ并不適用。技術(shù)委員會建議Ｄ１建立一組新的顯色指數(shù)，這些顯色指數(shù)不立即替代目前的ＣＩＥ顯色指數(shù)計算方法。新的顯色指數(shù)作為ＣＩＥＣＲＩ的補充，在成功地應(yīng)用組合新的顯色指數(shù)后才能確定替代目前ＣＲＩ的計算方法。Ｄ２成立專門的技術(shù)委員會ＴＣ２－４５研究ＬＥＤ的測量方法：ＴＣ２－４５文件《Ｍｅａ-ｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＬＥＤＳ》正在投票中，它將會替代ＣＩＥ１２７出版物。
３ＬＥＤ發(fā)光效率極限值
長期以來，半導(dǎo)體研究專家探索各種新技術(shù)以提高ＬＥＤ的內(nèi)、外量子效率，２００６年已有小功率白光ＬＥＤ發(fā)光效率達(dá)１００ｌｍ/Ｗ的報導(dǎo)。為確定合理的ＬＥＤ發(fā)光效率期待值，需要從光度學(xué)、色度學(xué)的基礎(chǔ)上計算ＬＥＤ發(fā)光效率極限值。
１９７９年１０月，第十屆國際計量大會（ＣＧＰＭ）定義了新坎德拉（ｃｄ）�？驳吕ǎ悖洌榘l(fā)出單色輻射頻率５４０．０１５４×１０１２Ｈｚ（波長５５５ｎｍ）的光源在給定方向上的發(fā)光強度，在該方向上的輻射強度為：
１ｃｄ＝（１/６８３）Ｗ/ｓｒ（波長５５５ｎｍ）；
１ｃｄ＝１ｌｍ/ｓｒ；
１Ｗ＝６８３ｌｍ（波長５５５ｎｍ）。
如果忽略供電損耗、內(nèi)量子效率、外量子效率數(shù)值，可以計算出各種光源和ＬＥＤ的發(fā)光效率極限值。
圖１為人眼光譜光效率及理想等能白光的光譜功率分布。由于人眼的光譜響應(yīng)特性，理想等能白光經(jīng)加權(quán)計算后，可以得到在可見光譜范圍內(nèi)的理想等能白光極限發(fā)光效率為１８２．４５ｌｍ/Ｗ。
在照明領(lǐng)域中，一種新型光源的誕生，其壽命、光效是重要的質(zhì)量指標(biāo)，但它對各種顏色的顯色特性是照明光環(huán)境的另一重要質(zhì)量指標(biāo)。低壓鈉燈的２條黃色光譜線的理論發(fā)光效率可達(dá)４５０ｌｍ/Ｗ（如圖2所示），實際光效超過２００ｌｍ/Ｗ。但由于它的顯色特性差，最終被高壓鈉燈、金鹵燈所替代。
考察ＬＥＤ這一新型光源，在犧牲一些顯色性指數(shù)Ｒａ的條件下與理想等能白光比較，白光ＬＥＤ的極限發(fā)光效率還會高一些，大約在２００ｌｍ上下。對于一個實際應(yīng)用于照明領(lǐng)域中的白光ＬＥＤ，發(fā)光效率的目標(biāo)值設(shè)定在１５０～１６０ｌｍ/Ｗ是合理的。
除了照明應(yīng)用的白光ＬＥＤ外，各種光譜的ＬＥＤ的發(fā)光效率也可根據(jù)圖２所示的數(shù)據(jù)進行估算。圖３是紅、綠、藍(lán)（６４３ｎｍ，５３５ｎｍ，４６０ｎｍ）ＬＥＤ的極限發(fā)光效率值。
４ＬＥＤ與傳統(tǒng)光源的比較
（１）ＬＥＤ體積小，有各種不同的外形尺寸，適用于不同應(yīng)用場所（如圖４所示）。
（２）ＬＥＤ具有多種顏色，紫外、紫色、綠色、黃色、紅色到紅外，白光ＬＥＤ光譜如圖５所示。
（３）ＬＥＤ光學(xué)參數(shù)與溫度有關(guān)（如圖６、圖７所示）；
（４）ＬＥＤ光學(xué)參數(shù)與觀察角度有關(guān)；
（５）ＬＥＤ有各種不同的配光曲線，而且沒有確定的光軸（如圖８所示）。
ＬＥＤ的上述特性，給ＬＥＤ光學(xué)特性的測量帶來很多問題。
５ＬＥＤ光學(xué)特性的測量
ＬＥＤ的光學(xué)特性檢測應(yīng)從下面幾個特性來考慮：
（１）發(fā)光強度；
（２）總光通量；
（３）光譜特性、色品坐標(biāo)、主波長；
（４）發(fā)光強度的空間分布和總光通量。
５．１發(fā)光強度
由于ＬＥＤ的結(jié)構(gòu)特點，為提高其發(fā)光效率，在其底部配裝反射器，實際上它本身就是一個燈具。各個區(qū)域發(fā)出的光線有不同的聚焦點，它并不是一個點光源。因此，在評價ＬＥＤ發(fā)光強度時，光度學(xué)中的距離平方反比定律不適用。ＣＩＥ１２７出版物中規(guī)定了兩種目前國際公認(rèn)的測量條件如圖９、圖１０所示。
應(yīng)用上述兩種測量條件的測量結(jié)果能進行國際間的對比。Ａ和Ｂ測量條件并不嚴(yán)格按照發(fā)光強度的定義進行，因此被稱為“平均發(fā)光強度”（ＡＬＩ）。
關(guān)于測量探測器的修正：由于測量探測器Ｖ（?姿）的配匹誤差將造成“平均發(fā)光強度”（ＡＬＩ）的測量誤差（如圖１１所示），Ｖ（?姿）的配匹誤差對紅、藍(lán)ＬＥＤ的測量結(jié)果影響更為嚴(yán)重，采用光譜修正方法可以提高測量精度。
探測器光譜匹配誤差的修正與色校正系數(shù)（ＣＣＦ）的計算：
Ｅｓ＝ｋ■Ｐｓ（?姿）Ｖ（?姿）ｄ?姿（１）
Ｐｓ（?姿）為標(biāo)準(zhǔn)光源的相對光譜功率分布；
Ｅｃ＝ｋ■Ｐｃ（?姿）Ｖ（?姿）ｄ?姿（２）
Ｐｃ（?姿）為待測光源的相對光譜功率分布；
■＝■＝ｋ■（３）
Ｓ（?姿）為探測器的相對光譜靈敏度，為測量標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源的信號值，精確的照度值為：
Ｅｃ＝ｋ■Ｅｓ（４）
對ＬＥＤ發(fā)光強度測量儀器的要求：
（１）測量立體角要正確
ｄΩ＝０．００１ｓｒ（Ａ條件）
ｄΩ＝０．０１ｓｒ（Ｂ條件）
（２）測量機械軸正確；
（３）有效的防雜散光設(shè)計；
（４）精密的Ｖ（λ）光探測器；
（５）提供Ｖ（λ）光探測器光譜數(shù)據(jù)，便于修正測量值；
（６）配備高穩(wěn)定性的供電電源。
５．２ＬＥＤ光通量的測量
應(yīng)用分布式光度計可對ＬＥＤ總光通量進行精確測量（探測器光譜響應(yīng)曲線已修正的條件下）。這是ＬＥＤ總光通量的絕對測量方法，但測試儀器昂貴，工業(yè)中常用積分球進行測量。
（１）積分球的尺寸盡可能大，可減少擋屏吸收及異物誤差；
（２）鍍層表面反射比越大，球內(nèi)表面的響應(yīng)率差異越少。目前在ＬＥＤ測試中，鍍層表面反射比甚至大于９８％。
（３）注意被測ＬＥＤ的安裝位置，應(yīng)將發(fā)射的光線對準(zhǔn)積分球內(nèi)表面響應(yīng)均勻的區(qū)域；
（４）應(yīng)用輔助光源減少擋屏吸收及異物誤差。
５．３光譜特性、色品坐標(biāo)、主波長的測量
根據(jù)國際照明委員會（ＣＩＥ）三次ＬＥＤ國際專家會議的技術(shù)交流和相關(guān)國際對比結(jié)果，現(xiàn)建議如下：
（１）國家計量部門應(yīng)該采用雙單色儀測量系統(tǒng)；
（２）單色儀測量系統(tǒng)可滿足工業(yè)部門應(yīng)用；
（３）１ｎｍ和５ｎｍ光譜測量帶寬的色度測試結(jié)果比較接近，可采用５ｎｍ帶寬測量；
（４）主波長的對比測量差別很小；
（５）ＣＣＤ測量儀器相對誤差較大。
圖１２是一些國際對比結(jié)果：ＣＣＤ儀器對白光ＬＥＤ的測量對比。
６標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ
６．１ＬＥＤ光學(xué)特性測量的理論與技術(shù)基礎(chǔ)
（１）根據(jù)以上對ＬＥＤ光學(xué)特性的分析，國家計量部門和工
界可應(yīng)用常規(guī)的光度、色度及輻射度儀器對ＬＥＤ的總光通量、光譜特性、色品坐標(biāo)、主波長、色溫等參數(shù)進行測量。
（２）對于ＬＥＤ發(fā)光強度的測量，由于ＬＥＤ發(fā)光特性不遵循光度學(xué)的距離平方反比定律，ＣＩＥ１２７文件推薦采用Ａ，Ｂ條件測量ＬＥＤ平均發(fā)光強度（ＡＬＩ）。
（３）為了提高平均發(fā)光強度、光通量等量值傳遞過程中測量的不確定度和提高測量效率，ＣＩＥ建立了Ｔｃ２－４５、Ｔｃ２－４６、Ｔｃ２－５０等技術(shù)委員會，開展相關(guān)的研究和評價工作，以及對標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ的研究。
（４）光度學(xué)、色度學(xué)、輻射度學(xué)的基本理論是ＬＥＤ的測量基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)Ａ光源是測定標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ光譜功率分布特性的重要基準(zhǔn)。
（５）準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ光通量值可用分布式光度計測量確定。
作為一種補充測試方法，美國（ＮＩＳＴ）、匈牙利、英國（ＮＰＬ）、德國（ＰＴＢ）等國家以及我國都在積極開展標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ研究工作。
６．２對標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ特性的要求
（１）標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ的工作溫度一般大于環(huán)境溫度，也有致冷的技術(shù)方案；
（２）標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ的樣品需要老化幾百小時，選擇其中的穩(wěn)定者進行后期標(biāo)定工作；
（３）標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ必須與測試樣品具有同樣的光譜功率分布，需要建立多種不同顏色的標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ。特別是白光ＬＥＤ，由于它可由不同光譜組成，研制通用的白光ＬＥＤ標(biāo)準(zhǔn)幾乎不太可能；
（４）標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ必須與測試樣品具有同樣的發(fā)光強度分布曲線（配光曲線），如果待測ＬＥＤ的顏色（光譜）與標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ（光譜）有差異，則需對光度探器進行光譜校正。
６．３應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)ＬＥＤ測量的優(yōu)點
（１）不需要對光度探頭進行光譜校正；
（２）不需要對光度計參考平面進行嚴(yán)格的定位。
