1.概述

LED作為新型光電發光器件，由于它的低碳環保體積小重量輕成本低壽命長的優勢，正越來越受到人們的追捧，發展勢頭異常迅猛，是光電專家所始料不及的。LED不但廣泛應用作于各種照明光源，指示標記燈，而且還大批量用于LCD的背光源，大有取代傳統的熒光燈管而成為LCD電視的新寵。此外，LED還可以作為許多測量儀器的光源。

完全意義上的LED電視發展也很快，雖然它現在大多用于戶外，由于他的高亮度和逼真的色彩以及動態效果極佳，走進千家萬戶也只是時間問題。因此，讓我們全面認識LED這個新型小伙伴，就顯得十分緊迫。

自1976年第一個紅光LED問世以來，經過30年的發展，LED已形成各種光譜系列產品，單個LED的功率也從最初的零點零幾瓦發展至幾瓦乃至數十瓦。2001年白光LED研制成功，人們期待LED最終能進入照明領域，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的發光效率已達100lm/W。特別是RGB－LED的研究結果表明，LED也與常規三基色熒光燈一樣，可以獲得各種不同的色溫和均勻的照明環境。

LED光源的進展和人們對它在照明領域中應用的期待，也對相應的光學檢測技術有了新的要求。由于LED的光學特性與傳統光源有較大差別，需要研究開發適應這種新型光源的測量方法。

2.LED光源

LED（Light-Emitting-Diode中文意思為發光二極管）是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體，它改變了白熾燈鎢絲發光與節能燈三基色粉發光的原理，而采用電場發光。據分析，LED的特點非常明顯，壽命長、光效高、無輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發光效率可達80～90%。將LED與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結果顯示：普通白熾燈的光效為12lm／W，壽命小于2000小時，螺旋節能燈的光效為60lm／W，壽命小于8000小時，T5熒光燈則為96lm／W，壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED為20～28lm／W，壽命可大于100000小時。有人還預測，未來的LED壽命上限將無窮大。

大功率，指發光工率大，一般指0.5W，1W 3W 5W或更高的。光強與流明是比小功率大，但同樣散熱也很大，現在大功率都是單顆應用，加很大的散熱片。小功率一般是0.06W左右的。插件和食人魚等。現在LED手電一般是用小功率用的，光散不散，取決于LED的發光角度，有大角度小角度之分，小角度不散，大角度才散。

LED的亮度是跟LED的發光角度有必然關系的，LED的角度越小它的亮度越高。 如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百MCD，如果是15度角的亮度就要去到一萬多兩萬MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了，如果是用于照明用的，在戶外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個功率有1W，3W，5W，還有的是用多個大功率組合成一個大功率的LED，功率去到幾百都有。

LED的發光原理

LED（Light Emitting Diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。

而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結材料決定的。

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發光。

假設發光是在P區中發生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光，或者先被發光中心捕獲后，再與空穴復合發光。除了這種發光復合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近PN結面數μm以內產生。

理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度Eg有關，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。

3.LED的分類

（1）按發光管發光顏色分

按發光管發光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。

根據發光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發光二極管和達于做指示燈用。

（2）按發光管出光面特征分

按發光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。

由半值角大小可以估計圓形發光強度角分布情況。

從發光強度角分布圖來分有三類：

A.高指向性。一般為尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。

B.標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

C.散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

（3）按發光二極管的結構分

按發光二極管的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

（4）按發光強度和工作電流分

按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發光強度100mcd）；把發光強度在10～100mcd間的叫高亮度發光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發光管相同）。

4.LED光學特性研究

國際照明委員會（CIE）技術委員會關于LED的技術特性的研究分為兩個分部。即：視覺和顏色分部（D1）和光和輻射測量分部（D2）。白光LED的顯色性和相關的計量問題正在研究，并已轉發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《Colour Rendering of White LED LightSources》可能部分替代CIE 13.3－1995出版物。這兩個文件已進入投票階段。

TC1－62文件《Colour Rendering of White LED LightSources》介紹了白光LED顯色指數CRI的目視實驗結果。

CIE 13.3－1995出版物中規定了CRI的計算方法，如果白光LED對CRI進行計算的結果與目視結果有矛盾，文件確定存在這一矛盾。技術報告的結論是：應用包括白光LED在內的顯色性計算時，CIE CRI并不適用。技術委員會建議D1建立一組新的顯色指數，這些顯色指數不立即替代目前的CIE顯色指數計算方法。新的顯色指數作為CIE CRI的補充，在成功地應用組合新的顯色指數后才能確定替代目前CRI的計算方法。D2成立專門的技術委員會TC 2－45研究LED的測量方法：TC 2－45文件《Mea-surement ofLEDS》正在投票中，它將會替代CIE 127出版物。

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。

（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。

（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：

（1）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。

（3）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?。籈.CCD測量儀器相對誤差較大。

（4）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。

（6）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。

8.標準LED

（1）LED光學特性測量的理論與技術基礎

A.根據以上對LED光學特性的分析，國家計量部門和工業界可應用常規的光度、色度及輻射度儀器對LED的總光通量、光譜特性、色品坐標、主波長、色溫等參數進行測量。

B.對于LED發光強度的測量，由于LED發光特性不遵循光度學的距離平方反比定律，CIE127文件推薦采用A，B條件測量LED平均發光強度（ALI）。

C.為了提高平均發光強度、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等技術委員會，開展相關的研究和評價工作，以及對標準LED的研究。

D.光度學、色度學、輻射度學的基本理論是LED的測量基礎。標準A光源是測定標準LED光譜功率分布特性的重要基準。

E. 準確的標準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準LED研究工作。

（2）對標準LED特性的要求

A.標準LED的工作溫度一般大于環境溫度，也有致冷的技術方案；B.標準LED的樣品需要老化幾百小時，選擇其中的穩定者進行后期標定工作；C. 標準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準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標準幾乎不太可能；D.標準LED必須與測試樣品具有同樣的發光強度分布曲線（配光曲線），如果待測LED的顏色（光譜）與標準LED（光譜）有差異，則需對光度探器進行光譜校正。

（3）應用標準LED測量的優點

A.不需要對光度探頭進行光譜校正；B.不需要對光度計參考平面進行嚴格的定位。

9.LED的應用

（1）顯示屏、交通訊號、廣告業多媒體、城市亮化顯示光源的應用LED燈具有抗震耐沖擊、光響應速度快、省電和壽命長等特點，廣泛應用于各種室內、戶外顯示屏，分為全色、三色和單色顯示屏，全國有100多個單位在開發生產。交通信號燈主要用超高亮度紅、綠、黃色LED，因為采用LED信號燈既節能，可靠性又高，所以在全國范圍內，交通信號燈正在逐步更新換代，而且推廣速度快，市場需求量很大。

（2）汽車工業上的應用汽車用燈包含汽車內部的儀表板、音響指示燈、開關的背光源、閱讀燈和外部的剎車燈、尾燈、側燈以及頭燈等。汽車用白熾燈不耐震動撞擊、易損壞、壽命短，需要經常更換。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈。由于LED響應速度快，可以及早提醒司機剎車，減少汽車追尾事故，在發達國家，使用LED制造的中央后置高位剎車燈已成為汽車的標準件，美國HP公司在1996年三種顏色的LED燈推出的LED汽車尾燈模組可以隨意組合成各種汽車尾燈。此外，在汽車儀表板及其他各種照明部分的光源，都可用超高亮度發光燈來擔當，所以均在逐步采用LED顯示。我國汽車工業正處于大發展時期，是推廣超高亮度LED的極好時機。近幾年內會形成年產10億元的產值，5年內會形成每年30億元的產值。

（3）LED背光源以高效側發光的背光源最為引人注目，LED作為LCD背光源應用，具有壽命長、發光效率高、無干擾和性價比高等特點，已廣泛應用于電子手表、手機、BP機、電子計算器和刷卡機上，隨著便攜電子產品日趨小型化，LED背光源更具優勢，因此背光源制作技術將向更薄型、低功耗和均勻一致方面發展。LED是手機關鍵器件，一部普通手機或小靈通約需使用10只LED器件，而一部彩屏和帶有照相功能的手機則需要使用約20只LED器件?，F階段手機背光源用量非常大，一年要用35億只LED芯片。目前我國手機生產量很大，而且大部分LED背光源還是進口的，對于國產LED產品來說，這是個極好的市場機會。

（4）LED照明光源早期的產品發光效率低，光強一般只能達到幾個到幾十個mcd，適用在室內場合，在家電、儀器儀表、通訊設備、微機及玩具等方面應用。目前直接目標是LED光源替代白熾燈和熒光燈，這種替代趨勢已從局部應用領域開始發展。日本為節約能源，正在計劃替代白熾燈的發光二極管項目（稱為“照亮日本”），頭五年的預算為50億日元，如果LED替代半數的白熾燈和熒光燈，每年可節約相當于60億升原油的能源，相當于五個1.35×106kW核電站的發電量，并可減少二氧化碳和其它溫室氣體的產生，改善人們生活居住的環境。我國于2004年投資50億大力發展節能環保的半導體照明計劃。

（5）其它應用例如一種受到兒童歡迎的閃光鞋，走路時內置的LED會閃爍發光，僅溫州地區一年要用5億只發光二極管；利用發光二極管作為電動牙刷的電量指示燈，據國內正在投產的制造商介紹，該公司已有少量保健牙刷上市，預計批量生產時每年需要3億只發光燈；正在流行的LED圣誕燈，由于造型新穎、色彩豐富、不易碎破以及低壓使用的安全性，近期在香港等東南亞地區銷勢強勁，受到人們普遍的歡迎，正在威脅和替代現有電泡的圣誕市場。

10.LED面臨的一些問題

在國家推動產業結構優化升級、培育新的產業增長點這一戰略任務的指導下，LED成為各地方政府的發展重點，東莞、惠州、佛山、深圳、大連、南昌、廈門等地方政府紛紛制定了產業發展戰略規劃，國內掀起了一股LED投資熱潮。作為占據國內LED總產值的近半壁江山的廣東，今年5月發布的《關于加快經濟發展方式轉變的若干意見》中，將半導體照明（LED）產業列為廣東近期重點主抓的三大戰略性新興產業之一。LED產業在廣東已經形成了百舸爭流的局面。深圳、東莞、佛山都已經將LED產業列為支柱型產業發展。LED產業已經呈現出全面開花之勢。國內LED企業迅速崛起并迅速擴大產能，為爭奪LED市場展開攻略。從國內LED產業龍頭企業三安光電到擴張產能的士蘭微再到半路出家的德豪潤達，LED產業熱潮幾乎席卷了整個行業，由于國內LED產品技術整體水平不高，國內企業普遍規模小、技術實力弱、產品檔次也比較低，LED市場競爭激烈，相關廠商爭打價格戰，同時LED產業內也出現了無序投資、惡性競爭等現象。從目前國內市場動態和LED產業結構分布來看，已經出現很嚴重的重復投資的問題。

另外，一些地方政府在發展經濟中有意將地方市場向本地企業開放，或者以投資換市場的方式鎖住地方市場，地方保護主義有抬頭趨勢。若不打破這種地方行政壁壘，必然帶來地區之間的產業項目趨同，直接加大產業泡沫，阻礙區域一體化發展進程。不同區域要突出不同特色，要避免為短期利益簡單重復建設，導致未來惡性競爭。

此外，中國的LED照明還存在一系列其它問題，例如中國目前還沒有LED燈具國家標準，只有一些地方的標準；我國本土LED燈具造型創新設計能力明顯不足等。要解決好這些問題，才能使LED產業發展更加健康，LED產品才能更適應大眾的需要。市場主導是LED照明產業可以長期健康發展的基礎，政府要在政策、法規、研發投入、應用示范和標準等多方面來引導和扶持，全國一盤棋，整體規劃，才能引導LED產業持續健康發展。

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