产品 求购 供应 文章 问题

0431-81702023
LED
从光度学与CIE规范谈如何量测LED

一、 前言
发光二极管(Light Emitting Diode; LED)是半导体材料制成的组件,为一种微细的固态光源,可将电能转换为光,其发光原理是在一顺偏之二极管p-n接合面处,自由电子与电洞发生复合作用(Recombination),因自由电子由高能阶掉到能量较低的价带时,释放出能量而产生光与热,其不但体积小,且具有寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性佳、耗电少、发热少、色彩纯度高等特性,不仅能够配合各种应用设备的轻、薄及小型化之需求,随着蓝光LED的开发,亦使得LED Display得以全彩化,再加上白光LED的相继推出,更被誉为是下一代照明工业的主流。综上所述,随着LED应用的多元化,在其旋光性与电性的测试筛选上,自然较以往严格许多,试想,在一块显示看板上所使用的LED,若其彼此的光电特性差异过大,将造成各点亮度与颜色的不同,降低了整体均匀度,而影响呈现的品质,如此可见LED在品管测试上的重要性。以下本文将就LED的特性、旋光性相关量测单位、量测项目与CIE建议测试规范做一简介。
二、LED的特性与影响因素
空间辐射(Spatial Radiation)分布
LED封装后的树脂外壳,除了具有保护晶粒的作用外,亦会影响LED发光的方向性,而所谓空间辐射分布,系指不同视角与LED的相对发光强度变化关系,即用以描述不同方向下,LED的发光强度变化,其系取决于LED的封装方式,如内建微透镜将可改变不同视角与相对发光强度的分布关系,以因应用途需求而强化其发光指向性(集中)或扩散性(分散)。
光谱(Spectrum)分布<BR>因使用材料的不同,LED可设计出红、橙、黄、绿、蓝、紫等各颜色不同波段的光,以及红外、紫外等不可见光LED,且封装外壳颜色亦会对其光谱产生影响,其光谱半波宽(FWHM, Full Width Half Maximum)通常较窄,约数十奈米(nm)左右。
工作电流
LED的光强度与供应电流关系密切,是以量测时之供应电流须稳定,以免影响量测结果。
三、旋光性量测单位
全光通量(Total Luminous Flux)
不同波长之光辐射通量对人眼有不同权重之感应,光源之辐射通量依照其内各波长相对应之权重造成 人眼所感应的通量,称之为光通量,单位为流明(Lumen; lm),而全光通量则定义为光源向各方向所发射光通量之总和,其示意图如下。
光强度(Luminous Intensity; IV)
光强度定义为单位立体角所发射出的光通量,单位为烛光(Candela, cd)。一般而言,光源会向不同方向以不同强度放射出其光通量,在特定方向单位立体角所放出之可见光辐射强度即称之为光强度。示意图如下。
色度(Chromaticity)
人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程,为了将色彩的描述加以量化,国际照明协会(CIE)根据标准观测者的视觉实验,将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以纪录,计算出红、绿、蓝三原色的配色函数,经过数学转换后即得所谓的CIE 1931 Color Matching Function(x((), y((), z(()),如下图所示。而根据此一配色函数,后续发展出数种色彩度量定义,使人们得以对色彩加以描述运用。
根据CIE 1931配色函数,将人眼对可见光的刺激值以XYZ表示,经下列公式换算得到x, y值,即CIE 1931(x, y)色度坐标,透过此统一标准,对色彩的描述便得以量化并加以控制。x, y :CIE 1931 色度坐标值 (Chromaticity Coordinates) 然而,由于以(x, y)色度坐标所建构之色域为非均匀性,使色差难以量化表示,所以CIE于1976年将CIE 1931色度坐标加以转换,使其所形成之色域为接近均匀之色度空间,让色彩差异得以量化表示,即CIE 1976 UCS(Uniform Chromaticity Scale)色度坐标,以(u', v')表示
主波长(λD)
其亦为表达颜色的方法之一,在得到待测件的色度坐标(x, y)后,将其标示于CIE色度坐标图(如下图)上,连结E光源色度点(色度坐标(x,y)=(0.333, 0.333))与该点并延伸该连结线,此延长线与光谱轨迹(马蹄形)相交的波长值即称之为该待测件的主波长。惟应注意的是,此种标示方法下相同主波长将代表多个不同色度点,是以用于待测件色度点邻近光谱轨迹时较具意义,而白光LED则无法以此种方式描述其颜色特性。
纯度(Purity)
其为以主波长描述颜色时之辅助表示,以百分比计,定义为待测件色度坐标与E光源之色度坐标直线距离与E光源至该待测件主波长之光谱轨迹(Spectral Locus)色度坐标距离的百分比,纯度愈高,代表待测件的色度坐标愈接近其该主波长的光谱色,是以纯度愈高的待测件,愈适合以主波长描述其颜色特性,LED即是一例。
色温(Color Temperature)
光源之辐射能量分布与某一绝对温度下之标准黑体 (Black Body Radiator) 辐射能量分布相同时,其光源色度与此黑体辐射之色度相同,此时光源色度以所对应之绝对温度表之,此温度称之为色温( Color Temperature),而在各温度下之黑体辐射所呈现之色度可在色度图上标出曲线,称之为蒲朗克轨迹(Planckian Locus)。标准黑体的温度愈高,其辐射出的光线对人眼产生蓝色刺激愈多,红色刺激成分亦相对减少。然而在实际量测上,无任何光源具有跟黑体相同的辐射能量分布,换言之,待测光源之色度通常并未落在蒲朗克轨迹上。因此计算待测光源之色度坐标所最接近蒲朗克轨迹上某个坐标点,此点之黑体温度即定义为该光源之相关色温(Correlated Color Temperature; CCT),通常以CIE 1960 UCS ( u, v)色度图求之,并配合色差△uv加以描述。须注意的是,此种表示方式对光源色度邻近蒲朗克轨迹时方具意义,是以对于LED量测而言,仅适用于白光LED之颜色描述。
半功率角量测
所谓半功率角定义为仰角0度时,由LED的几何中心点起算相对光强度为50﹪的两点间所张之角度。其量测方式系以光侦测器依LED中心位置为0度,由-90度扫描至+90度,即可得该待测LED之空间辐射分布图,如下图所示。再依定义求得半功率角,惟须注意的是光侦测器的受光面积不宜太大,以免影响量测分辨率。
全光通量量测
光通量量测有双旋角光度计(Goniophotometer)与积分球(Integrating Sphere)量测两种方式,虽然双旋角光度计可得到精确的量测值,但由于设备昂贵且复杂,一般均采用积分球量测方式,其架构示意如下。须注意的是随待测LED大小不同,积分球开孔孔径亦会变化,使用之积分球大小亦须调整匹配。
结论
随着LED产品从早期的显示用途扩展到照明设备的应用,以及封装方式的多元化,如何正确地量测LED特性,并因应不同应用需求变化量测方式,已成为提升LED产品品质的重要课题,是以在进行LED量测时,须特别注意下列两个问题:
1. 测试方式是否依循国际公认之量测规范?
为使量测结果可通用比较,测试方式须基于相同条件下方得以沟通,为此,国际照明协会考量LED的发光特性,制定了条件A与条件B二种不同测试条件,以量测不同辐射空间分布特性LED之平均光强度(CIE 127-1997),是以在选择测试设备时,须注意其系统设计是否依循CIE测试规范?仪器校正是否追溯国家标准(如美国国家标准NIST或中 华民国国家标准NML)?全光通量量测时积分球是否依待测LED尺寸大小选择合适之规格?以及积分球之几何设计是否合于CIE规范?
2. LED之特性描述是否完整?<BR>为满足LED的多元应用需求,使用之测试设备须可提供以下诸项之测试结果:Iv、Φ、(x, y)、λD、λP 、△λ0.5、(u',v')、CCT、Purity、Spectral Distribution、Spatial Radiation、VF、IR、VBR、CVF 与 THY。且为因应多晶封装LED之测试需求,其测试系统之软硬件设计亦必须可支持。
综上所述,LED业者若能对量测方式有正确认知并加以落实,将更能掌握LED的各种特性,进而改善其产品规格,提升附加价值,以利于各式产品的应用。