從目前的LED產品的機理和結構來看,以下幾個方面是用來衡量LED優劣的特性參數。
(1)白光LED電流/電壓參數(正、反向)
LED的電性能具有典型的PN結伏安特性,不同的電流直接影響LED的發光亮度和PN結的結溫.在照明應用中,為了獲得大功率的LED燈,往往將許多個發光二極管通過一定的串并聯方式組合在一起,相關的各個LED的特性必須匹配,在交流工作狀態還必須考慮其反向電特性,因此必須測試它們在工作點上的正向電流和正向壓降,以及反向漏電流和反向擊穿電壓等參數。
(2)白光LED光通量和輻射通量
發光二極管單位時間內發射的總電磁能量稱為輻射通量,也就是光功率(W).對于照明用LED光源,我們更關心的是照明的視覺效果,即光源發射的輻射通量中能引起人眼感知的那部分當量,稱作為光通量ΦV(1m).
輻射通量與器件的電功率之比表示LED的輻射效率;光通量與器件的電 度指在給定方向上單位立體角內所發射的光通量:
??????????? I= dΦ/dΩ(cd)?????????????? (2-1)
光強分布曲線如圖1所示,是表示LED發光在空間各方向的分布狀態.在照明應用中計算工作面的照度均勻性和LED燈的空間布置,光強分布是最基本的數據.對于空間光束為旋轉對稱型分布的LED,用一個過光束軸平面上的曲線表示即可.對光束為橢圓形分布的LED,則用過光束軸及橢圓形長短軸的兩個垂直平面上的曲線來表示.對于非對稱的復雜圖形,一般用過光束軸的六個以上截面的平面曲線來表示.
發光角(或光束角)通常用半強度角θ1/2表示,即在光強分布圖中光強大于等于峰值光強1/2時所包含的光束角度.
(4)白光LED光譜功率分布
LED的光譜功率分布表示輻射功率隨波長的變化函數,它既確定了發光的顏色,也確定了它的光通量以及它的顯色指數.通常用相對光譜功率分布S(λ)表示,光譜功率沿峰值兩邊下降到其值的50%時,所對應的兩個波長之差Δλ＝λ2-λ1,即為光譜帶.
(5)白光LED色品坐標?
選三原色紅(R)、綠(G)、藍(B).
X=R/(R+G+B),Y=G/(R+G+B),Z=B/(R+G+B)???????? (2-2)
由于X+Y+Z=1,所以只用給出X和Y的值,就能唯一地確定一種顏色.這就是通常所說的色度圖,為了使坐標值能直接表示亮度大小,國際照明協會規定采用另一種色度坐標X、Y、Z,與R、G、B間存在線性換算關系.若以x、y作為平面坐標系,將自然界中的各種彩色按比色實驗法測出其x、y數值,并繪在該坐標平面內,便可得到圖2-1所示的色度圖.該色度圖邊沿舌形曲線上的任一點都代表某一波長光的色調,而曲線內的任一點均表示人眼能看到的某一種混合光的顏色.其中白光區域的特征點A、B、C、D65、E的坐標值和色溫見表2-1.
表2-1 特征點對應的色坐標值和色溫
光源點??? X坐標??? Y坐標??? 色溫(K)
A??? 0.4476??? 0.4074??? 2854
B??? 0.3484??? 0.3516??? 4800
C??? 0.3101??? 0.3162??? 6800
D65??? 0.313??? 0.329??? 6500
E??? 0.3333??? 0.3333??? 5500
(6)白光LED色溫和顯色指數
對于白光LED等發光顏色基本為“白光”的光源用色品坐標可以準確地表達該光源的表觀顏色.但具體的數值很難與習慣的光色感覺聯系在一起.人們經常將光色偏橙紅的稱為“暖色”,比較熾白或稍偏蘭的稱為“冷色”,因此用色溫來表示光源的光色會更加直觀.
光源的發光顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時,則稱黑體的溫度為該光源的色溫(color temperature) T,單位為開(K).對于白光LED,其發光顏色往往與各種溫度下的黑體(完全輻射體)的色品坐標都不可能完全相同,這時就不能用色溫表示.為了便于比較,而采用相關色溫(CCT)的概念.也就是當光源的色品與完全輻射體在某一溫度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品圖上的色品差最小時,則該完全輻射體的溫度稱為該光源的相關色溫R1.
用于照明工程的LED,尤其是白光LED,除表現顏色外,更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現出來的顏色與該物件在完全輻射(如日光)下的顏色是否一致,即所謂的顯色特性.
1974年CIE推薦了用“試驗色”法來定量評價光源顯色性的方法,它是測量參照光源照明下和待測光源照明下標準樣品的總色位移量為基礎來規定待測光源的顯色性,用一個顯色指數值來表示.CIE規定用完全輻射體或標準照明體D作為參照光源,并將其顯色指數定為100,還規定了若干測試用的標準色樣.
根據在參照光源下和待測光源下,上述標準色樣形成的色差來評定待測光源顯色性的好壞.光源對某一種標準色樣品的顯色指數稱為特殊顯色指數R1.
????????? R1=100-4.6△Ei???????????????? (2-3)
式中△Ei為第i號標準色樣在參照光源下和待測光源下的色差.
CIE推薦的標準色樣共有14種.其1-8號為中等飽和度、中等明度的常用代表性色調樣品,第9至14號樣品包括紅、黃、綠、藍等幾種飽和色、歐美的皮膚色和樹葉綠色.在一些特殊場合使用的LED光源,必須考核其特殊的顯色指數.1985年國家制定了“光源顯色性評價方法”標準,并增加了中國人女性膚色的色樣,作為第十五種標準色樣.這對于評價在電視演播室、商場、美容場所等照明用LED光源的顯色性尤為重要.
光源對前8個顏色樣品的平均顯色指數稱為一般顯色指數Ra.
(7)白光LED熱性能
照明用LED發光效率和功率的提高是當前LED產業發展的關鍵問題之一,與此同時,LED的PN結溫度及殼體散熱問題顯得尤為重要,一般用熱阻、殼體溫度、結溫等參數表示.
(8)白光LED輻射安全
目前,國際電工委員會IEC將LED產品等同于半導體激光器的要求進行輻射的安全測試和論證.因LED是窄光束、高亮度的發光器件,考慮到其輻射可能對人眼視網膜的危害,因此,對于不同場合應用的LED,國際標準規定了其有效輻射的限值要求和測試方法.目前在歐盟和美國,照明 LED產品的輻射安全作為一項強制性的安全要求執行.
(9)白光LED可靠性和壽命
可靠性指標是衡量LED在各種環境中正常工作的能力.在液晶背光源和大屏幕顯示中特別重要.壽命是評價LED產品可用周期的質量指標,通常用有效壽命或終了壽命表示.在照明應用中,有效壽命是指LED在額定功率條件下,光通量衰減到初始值的規定百分比時所持續的時間.
1)平均壽命
一批LED同時點亮,當經過一段時間后,LED不亮達到50%時所用的時間.
2)經濟壽命
在同時考慮LED損壞以及光輸出衰減的狀況下,其綜合輸出減至一特定比例時的小時數.此比例用于室外光源為70%,用于室內光源為80%.