CIE与IEC的LED参数测量标准
引言
LED 技术虽然已经有40 多年的发展历史,在产业界依然存在LED 光学参数测试再现性差,测量不确定度大,不同测试装置之间的测试结果一致性差等现象[1～3 ] 。究其原因,如同国内对LED 产业存在多头管理,国际上也一样: 国际半导体设备与材料组织(SEMI) ,国际电工委员会( IEC) 和国际照明委员会(CIE) 都程度不同地涉及到LED ,尤其是后两个委员会。正是由于LED 的相关测量标准是由国际上不同的标准化组织制定的,而且各个国际组织总体上没有系统的规划,相关组织间也没有充分协商,因而存在不同的质量评价体系,所颁文件的技术内容也不尽相同。IEC 成立于1906 年,它把LED 作为一个显示用半导体器件处理,侧重于它的物理特性。CIE 成立于1913 年,它更多地把LED 作为一个光源器件处理,所以导致各自的LED 测量标准之间存在微小的差异。本文试图通过比较各自的标准,找出两者的不同之处,以便为LED 测试方法标准的最终定稿提供一些参考。
1 CIE 和ICE 对同一事件的不同表述
1.1 发光(辐射) 效能的定义
首先,必须修正对这个术语的误解,发光(辐射)效率(efficiency) 用在此文中是不妥的,因为效率是指无量纲的物理量,而此处是有量纲的。所以,正确的叫法是“发光(辐射) 效能(efficacy) ”。
发光(辐射) 效能的定义:
CIE 定义:LED 发出的光通量(辐射通量) 与耗费电功率之比。
IEC 定义:LED 发出的光通量(辐射通量) 与耗费正向电流之比[4 ] 。
评论:CIE 的发光效能要测3 个物理量:总光通量,正向电流,正向电压(或内阻) 。而IEC 只需测量两个物理量:总光通量、正向电流。它没有选择正向电压是很明智的,因正向电压会随管芯温度的升高而下降。作者认为,IEC 的定义是不够严谨的。因为即使对于同一批次的管芯和封装,管芯的内阻及端电压存在微小差异,所以仅适用于对发光(辐射) 效能允许有一定变动范围的情况。这样测试时间将缩短,因只需测量两个物理量。
1.2 发光强度的测量距离
CIE[5 ] 规定了发光强度的测量距离有两种:远场(条件A) 为316mm ,对应的立体角为01001Sr ; 近场(条件B) 为100mm ,对应的立体角为0101Sr :两者之间可以相互转换,远场测量结果乘以10 就得到近场测量结果。
IEC[6 ]规定的测量距离仅为近场(条件B) ,立体角 0101Sr ; (为什么不写等于0101Sr ?) 。
对测量距离,CIE 明确规定从LED 的外壳顶端到光探测器的灵敏面。而IEC 规定得比较模糊。
评论:表面看起来,远场测量比近场测量有时候不确定度要小,因为在此条件下对测量距离、电流和杂散光的要求可相对低一些。但同时,LED 安装倾角的影响却相对增大,这可是一个大误差源。一般而论,远场条件可适用强照明及封装产品,而近场条件适用于弱照明和芯片、指示灯和背光源等。故均有存在的必要性。其次,CIE 在逻辑上不够严谨。首先,它用很大篇幅说明了LED 不是点光源,故距离平方反比定律不成立,发光强度这个概念也不适用。另外在实践上,它实际上是测量LED 在光电探测器灵敏面上的照度,然后乘以距离的平方而得到发光强度。这样,曾经被否定的距离平方反比定律实际上仍用到了。
1.3 测量的外部条件
CIE 明确规定测量的环境温度为25 ℃,但没提及大气条件。
IEC 则在笼统地提到环境温度的同时,也强调了适宜的大气条件。
评论:根据作者长期对硅光电二极管深入研究的经验,LED 参数与大气条件诸如大气压、湿度、洁净度等有关是肯定的,只是尚未做这方面的实验来予以证实。
2 IEC 提及却被CIE 遗漏的内容
2.1 CIE 没有提到LED 辐射强度的测量,这实际上是一个非常重要的物理量
IEC 则用较大篇幅提到这一点。其一,指出辐射强度的测量定位应是机械轴方向(法向辐射强度) ;其二,提到要用无光谱选择性的探测器如热电偶堆等热电探测器作为标准探测器:其三,提到要用近场测量。辐射强度对红外发光二极管( IRED) 尤其重要。
2.2 CIE 没有提到脉冲测量
既然市场上有“闪光LED”,闪光频率约为113～512Hz ,所以必须有相应的测量方法。
IEC 规定,对闪光LED 的测量,光探测器的上升时间应该足够小,而且应该能读取脉冲的峰值。
IEC 规定,为了测量峰值波长的带宽,单色LED的波长分辨率和带宽应能够调节,以便测量有足够的精度。辐射计的光谱响应进行校正,不妨假定峰值波长为100 % ,以便作归一化处理。IEC 指出,若单色仪的透射因子和辐射计的灵敏度在所测量的波长范围内不是常数,则要对测量值做相应的修正。
2.3 CIE 没有提到LED 暗电流的测量
IEC 强调指出,LED 暗电流的测量对温度非常敏感,所以测量精度极大地依赖于环境温度。另外,杂散光也是一个因素,测量最好在全黑环境下进行。工作电流也必须从零开始慢慢往上调节。
2.4 CIE 没有提到总电容测量时的频率
由LED 和光晶体管组成的光耦合器,LED 在其中起着开关作用。其抗干扰能力比一般方法强。电容测量仪的最小分辨率≮1PC ,而电容的测试频率规定为1MHz ,这对LED 总电容的测量可能有借鉴作用。
现行标准只笼统地提到“规定频率”一词,到底用多大频率测量总电容尚无规定。
2.5 CIE 没有提到LED 的开关时间
IEC 明确提到了光耦合器的开关时间。如上升时间tr ,开启时间ton ,关闭延迟时间td ,下降时间tf ,关闭时间toff 等。
3 CIE 提及却被IEC 所遗漏的内容
与上节相比,这方面的内容就太多了,故只能点到为止。
3.1 LED 的性质
3.1.1 LED 的光学性质
●发光强度的空间分布强调了对芯片的封装经常会改变它原来的光谱和空间分布。
●相对于其它光源而言,LED 的光谱分布既不是单色的(与激光束比) ,也不是宽带的(与白炽灯比) 。
●LED 的发光面积,由于包装和透镜、反光镜等的不同,而有不同的尺寸和形状。与测量距离相比,LED 的发光面积大到不再是点光源。
3.1.2 LED 的电学性质
●正向电压:它的精确测量最好用4 线测量方法,而随着管芯温度的上升正向电压会下降。由于LED管芯发热的作用,刚开启的时候,辐射功率上升的速度快于电功率的上升。而到了平稳工作期间,LED 的光辐射又强烈地依赖于正向电流。
●由于温度和电压之间的复杂关系,不推荐用稳定的电功率作为稳定的LED 光输出功率的前提。
●正向电压与组成LED 的半导体材料相关:在正向电流20mA 的前提下,红外管的端电压是112V ,蓝光管为615V ,其它的管子在这个范围以内。
●CIE 规定,测量时的环境温度为25 ℃,但供给LED电源的接触点,管芯和热沉之间引线的长度和电阻均会显著地影响测量结果。
●CIE 也提到辐射效率是电流的函数。因为工作电流的增加不但会增加LED 光功率的输出量,而且会提高芯片温度,后者反过来又会影响到LED 的光功率输出。如果对工作电流进行调制,则芯片温度会产生起伏现象,导致在同样的电流下,平均光功率输出不
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