5.LED發光效率極限值

　　長期以來，半導體研究專家探索各種新技術以提高LED的內、外量子效率，2006年已有小功率白光LED發光效率達100lm/W的報導。為確定合理的LED發光效率期待值，需要從光度學、色度學的基礎上計算LED發光效率極限值。

　　1979年10月，第十屆國際計量大會（CGPM）定義了新坎德拉（cd）。坎德拉（cd）為發出單色輻射頻率540.0154×1012Hz（波長555nm）的光源在給定方向上的發光強度，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、內量子效率、外量子效率數值，可以計算出各種光源和LED的發光效率極限值。

　　人眼光譜光效率與理想等能白光的光譜功率分布不盡相同。由于人眼的光譜響應特性，理想等能白光經加權計算后，可以得到在可見光譜范圍內的理想等能白光極限發光效率為182.45lm/W。

　　在照明領域中，一種新型光源的誕生，其壽命、光效是重要的質量指標，但它對各種顏色的顯色特性是照明光環境的另一重要質量指標。低壓鈉燈的2條黃色光譜線的理論發光效率可達450lm/W，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Ra的條件下與理想等能白光比較，白光LED的極限發光效率還會高一些，大約在200lm上下。對于一個實際應用于照明領域中的白光LED，發光效率的目標值設定在150～160lm/W是合理的。

　　除了照明應用的白光LED外，各種光譜的LED的發光效率也可根據數據進行估算。紅（643nm）、綠（535nm）、藍（460nm）的LED作為三基色，其極限發光效率值也可根據數據進行估算。

　　6.LED與傳統光源的比較

　　LED與傳統光源的比較有以下特點：

　　（1）LED體積小，有各種不同的外形尺寸，適用于不同應用場所。

　?。?）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。

　　（3）LED光學參數與溫度有關；（4）LED光學參數與觀察角度有關；（5）LED有各種不同的配光曲線，而且沒有確定的光軸。

　　LED的上述特性，給LED光學特性的測量帶來很多問題。

　　7.LED光學特性的測量

　　LED的光學特性檢測應從下面幾個特性來考慮：

　?。?）發光強度（cd）

　　光通量是說明某一光源向四周空間發射出的總光能量。不同光源發出的光通量在空間的分布是不同的。發光強度的單位為坎德拉，符號為cd，它表示光源在某單位球面度立體角（該物體表面對點光源形成的角）內發射出的光通量。1cd = 1lm/1sr（sr：立體角的球面度單位）。

　　LED的發光強度通常是指法線（對圓柱形發光管是指其軸線）方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發光1坎德拉（符號為cd）。由于一般LED的發光強度小，所以發光強度常用燭光（坎德拉，mcd）作單位。

　　由于LED的結構特點，為提高其發光效率，在其底部配裝反射器，實際上它本身就是一個燈具。各個區域發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發光強度時，光度學中的距離平方反比定律不適用。CIE127出版物中規定了兩種目前國際公認的測量條件。

　　應用上述兩種測量條件的測量結果能進行國際間的對比。A和B測量條件并不嚴格按照發光強度的定義進行，因此被稱為“平均發光強度”（ALI）。

　　關于測量探測器的修正：由于測量探測器的配匹誤差將造成“平均發光強度”（ALI）的測量誤差，配匹誤差對紅、藍LED的測量結果影響更為嚴重，采用光譜修正方法可以提高測量精度。

　　對LED發光強度測量儀器的要求：

　　A.測量立體角要正確dΩ＝0.001sr（A條件）dΩ＝0.01sr（B條件）。

　　B.測量機械軸正確；C.有效的防雜散光設計；D.精密的V（λ）光探測器；E.提供V（λ）光探測器光譜數據，便于修正測量值；F.配備高穩定性的供電電源。

　　（2）總光通量（lm）

　　由于人眼對不同波長的電磁波具有不同的靈敏度，我們不能直接用光源的輻射功率或輻射通量來衡量光能量，必須采用以人眼對光的感覺量為基準的單位----光通量來衡量。光通量用符號Φ表示，單位為流明（lm）。

　　LED光通量的測量，應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，工業中常用積分球進行測量。

　　A.積分球的尺寸盡可能大，可減少擋屏吸收及異物誤差；B.鍍層表面反射比越大，球內表面的響應率差異越少。目前在LED測試中，鍍層表面反射比甚至大于98％。

　　C.注意被測LED的安裝位置，應將發射的光線對準積分球內表面響應均勻的區域；D.應用輔助光源減少擋屏吸收及異物誤差。

　?。?）光譜特性、色品坐標、主波長測量

　　光譜特性、色品坐標、主波長的測量，根據國際照明委員會（CIE）三次LED國際專家會議的技術交流和相關國際對比結果，現建議如下：

　　A.國家計量部門應該采用雙單色儀測量系統；B.單色儀測量系統可滿足工業部門應用；C.1nm和5nm光譜測量帶寬的色度測試結果比較接近，可采用5nm帶寬測量；D.主波長的對比測量差別很??；E.CCD測量儀器相對誤差較大。

　?。?）發光強度的空間分布和總光通量

　　（5）亮度（cd/m2）

　　亮度是表示眼睛從某一方向所看到物體發射光的強度。單位為坎德拉/平方米［cd/m2］，符號為L，表明發光體在特定方向單位立體角單位面積內的光通量，它等于1平方米表面上發出1坎德拉的發光強度。

　?。?）色溫（Co1or Temperature）

　　當光源所發出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時，黑體的溫度就稱為該光源的色溫，用絕對溫度K表示。當光源所發出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色接近時，黑體的溫度就稱為該光源的相關色溫。