File (7).pdf

文章编号:1 0 0 5-5 6 3 0(2 0 0 5)0 5-0 0 3 3-0 5大功率白色发光二极管的特性研究*甘彬1,冯红年1,2,金尚忠1(1.中国计量学院,浙江 杭州3 1 0 0 1 8;2.上海理工大学,上海2 0 0 0 9 3)摘要:分析了大功率白色发光二极管的发光强度(即光强)、光通量和色坐标与测量位置的关系,提出了解决的方法。同时,对大功率白色发光二极管法向光强、光通量和峰值波长随电流和时间的变化情况做了分析,说明P N结温度对于大功率发光二极管的发光具有较大的影响。关键词:大功率发光二极管;发光强度;光通量;色坐标;峰值波长中图分类号:T N3 1 2.8文献标识码:AR e s e a r c ho np r o p e r t yo f h i g h-p o w e rw h i t eL E DG AN B i n1,F E NGHo n g-n i a n1,2,J I N S h a n g-z h o n g1(1.C h i n aJ i l i a n gUn i v e r s i t y,Ha n g z h o u3 1 0 0 1 8,C h i n a;2.Un i v e r s i t yo f S h a n g h a i f o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h el u mi n o u si n t e n s i t y,l u mi n o u sf l u xa n dc o l o rc o o r d i n a t eo fh i g h-p o we rwh i t eL E Dh a v er e l a t i o n swi t h d i f f e r e n tp l a c e.Wea n a l y z et h ef a c t o r s,a n d b r i n g f o r wa r d s o l v i n g me t h o d.Me a n wh i l e,wea l s oc o n d u c t a ne x p e r i me n t o nt h ec h a n g eo f l u mi n o u s i n t e n s i t y,l u mi n o u s f l u xa n dp e a kwa v e l e n g t hwi t hc u r r e n ta n dt i me.F r o m t h er e s u l to f t h ee x p e r i me n t,wek n o w t h a tt h et e mp e r a t u r eh a sas e r i o u se f f e c t o nt h eh i g h-p o we r L E D.Ke yw o r d s:h i g h-p o we r L E D;l u mi n o u si n t e n s i t y;l u mi n o u sf l u x;c o l o r c o o r d i n a t e;p e a kwa v e l e n g t h1引言发光二极管(L E D)由于其亮度高、功耗低、寿命长、可靠性高、易驱动、环保等特点,已被广泛应用于交通、广告和仪器仪表的显示中,现已在特殊照明中获得应用 1,2,并将在普通照明中大显身手。目前世界上生产和使用L E D呈现急速上升的趋势。大功率L E D的使用和生产也同样得到发展,因此对大功率L E D的性能测试也就越来越受到重视。传统L E D的测量和评估是按照C I E 1 2 7-1 9 9 7来进行,包括发光强度(即光强)、光通量、峰值波长、主波长、光效率、色坐标等的测量,但是大功率L E D的光强可高达1 0 0 c d以上,因此需要对传统测试条件进行一些补充和修改。现对大功率L E D发光强度、光通量和色坐标的几何条件进行了实验,分析了其影响的因素,提出了解决的方法。同时,对大功率L E D的光强、光通量和峰值波长随电流和时间的变化做了分析。2大功率L E D光强的测量 3 2.1发光强度与几何条件的关系第2 7卷第5期2 0 0 5年1 0月光学仪器OP T I C ALI NS T R UME NT SVo l.2 7,No.5Oc t o b e r,2 0 0 5*收稿日期:2 0 0 5-0 7-3 0作者简介:甘彬(1 9 8 1-),男,浙江杭州人,硕士研究生,主要从事L E D、近红外方面的研究。发光强度I定义为在给定方向上的立体角内,离开点光源的光通量除以该立体角元。如图1所示,有:I=/(1)通常,发光强度I也可由下式计算得到I=E r2(2)图1 L E D发光强度测量原理图只要测出离L E D顶部距离r处的照度E就可以获得光强I。但是L E D不是点光源,而且发光带有方向性,不同r由式(2)测得的I是不一样的。因此C I E 1 2 7-1 9 9 7文件规定,常规L E D的测量距离r采用3 1 6 mm的远场和1 0 0 mm近场测试。但对于大功率L E D,芯片发光面较大,通过环氧透镜会聚的光分布比常规L E D更加复杂,测量距离r=3 1 6 mm不一定合适。图1中示出了大功率L E D光线分布,测量距离r可调,测量用的照度计是由NI S T标定的P R 6 5 0光度计。对不同样品,在不同r测得照度,求光强I,结果如表1所示。表1不同L E D(白色)不同位置测得的光强值单位:c d序号1 1 1 6 mm1 0 1 6 mm9 1 6 mm8 1 6 mm7 1 6 mm6 1 6 mm5 1 6 mm4 1 6 mm3 1 6 mm11 2 6.9 01 2 7.1 01 2 6.9 01 2 7.2 01 2 6.1 01 2 6.7 01 2 4.9 01 2 4.1 01 2 0.2 021 1 8.5 71 1 8.7 11 1 8.1 41 1 7.4 61 1 6.8 91 1 6.8 71 1 4.4 91 1 3.3 51 1 0.1 431 1 2.3 41 1 2.6 21 1 2.0 01 1 2.2 01 1 2.7 81 1 3.8 01 1 2.6 31 1 2.8 01 1 2.3 441 1 4.0 81 1 4.1 71 1 3.7 81 1 4.5 31 1 3.8 11 1 3.8 41 1 1.8 31 1 1.4 51 0 9.3 452.6 1 52.6 8 42.6 0 12.6 6 32.6 6 62.6 5 62.6 8 92.7 0 02.7 1 664.8 5 74.9 5 54.8 6 64.9 2 74.9 2 14.9 3 34.9 2 65.0 1 95.1 8 374.8 5 74.8 5 24.8 6 64.8 6 14.8 7 04.9 3 34.9 2 64.9 8 45.0 9 3表1可见,对于大功率L E D,r在1 1 1 6 mm与3 1 6 mm之间实测的光强是不一致的。在8 1 6 mm之后测得的光强值的原理性误差不大于2%。为了计算方便,选用测量距离为8 3 6 mm(0.8 3 620.7)。3光通量测量 4 3.1光通量与几何条件的关系将L E D放在积分球内不同位置,积分球内径为5 0 0 mm,在离球心上、下、前、后、左、右六个方向,距离分别为3 7 mm、7 5 mm、1 1 2 mm和1 5 0 mm的位置测量其光通量。测量结果如表2所示。表2不同位置处的白光L E D光通量值单位:l m距离(mm)上下左右前后02 2.0 5 12 2.0 5 12 2.0 5 12 2.0 5 12 2.0 5 12 2.0 5 13 72 2.4 9 52 2.3 8 52 2.1 5 22 2.0 9 72 2.1 0 42 1.9 3 67 52 3.0 6 32 2.8 5 62 2.3 4 62 2.2 0 42 1.9 6 42 1.8 3 21 1 22 3.5 3 02 3.4 7 72 2.6 2 92 2.4 8 22 1.8 7 62 1.7 4 01 5 02 4.0 9 42 3.8 2 42 3.0 1 02 2.8 0 32 1.8 8 02 1.6 3 8由表2可见,光源在积分球前后方向距离中心位置不同的点测得的光通量有差别,主要因为L E D视角比较小,其第一次光斑照射处的球表面反射率对光通量的测量影响较大。多个位置所测得的平均光通量为2 2.5 1 7l m,相对于球心光通量,其误差为2%,不同位置处的最大误差为1 0%。要准确测量大功率L E D43光学仪器第2 7卷的光通量,L E D的位置最好选择在积分球球心附近。此外,还对L E D插座的颜色产生的影响进行了实验。当插槽颜色是白色时,测得大功率L E D的光通量为2 2.0 5 1l m。然后将其染成黑色,再进行光通量测量,其值发生了较大变化,为2 1.1 6 0l m,两者的相对误差达4%,这是由于L E D发光点较小,插座对光线的吸收产生较大影响,黑色插座对于光线的吸收比较严重。因此积分球内的插座、支架和导线均要喷涂成白色,以提高测量精度。3.2光通量与时间的关系将大功率L E D在3 5 0 mA恒流源下点亮,选取多个时间点,记录相应的实验数据。如图2所示,在开始点亮的5 mi n内,大功率L E D的光通量下降较快,之后逐渐趋于平稳。最后光通量下降了1 0%,这个下降的幅度比普通L E D要大。因此测量时,要统一测量时间,根据光通量的时间特性,选取1 0 mi n进行测量,其实测光通量才有可比性。3.3光通量与电流的关系图3示出了大功率L E D光通量与电流的关系。为了避免由于点亮大功率L E D的时间过长而引起结温升高,整个光通量与电流的关系为瞬态测量。随着电流的增加,大功率L E D的光通量非线性增加,并逐渐趋于饱和。图2光通量与时间的关系图3光通量与电流的关系表3不同位置处的白光L E D色坐标值单位:mm距离(mm)上下左右前后00.3 6 7 1,0.3 8 4 4 0.3 6 7 1,0.3 8 4 4 0.3 6 7 1,0.3 8 4 4 0.3 6 7 1,0.3 8 4 4 0.3 6 7 1,0.3 8 4 4 0.3 6 7 1,0.3 8 4 43 70.3 6 7 2,0.3 8 4 5 0.3 6 7 0,0.3 8 4 3 0.3 6 7 0,0.3 8 3 9 0.3 6 7 0,0.3 8 4 0 0.3 6 7 4,0.3 8 4 7 0.3 6 7 3,0.3 8 4 57 50.3 6 7 4,0.3 8 4 7 0.3 6 7 2,0.3 8 4 5 0.3 6 7 0,0.3 8 4 0 0.3 6 7 0,0.3 8 4 1 0.3 6 7 5,0.3 8 4 8 0.3 6 7 3,0.3 8 4 51 1 20.3 6 7 3,0.3 8 4 9 0.3 6 7 2,0.3 8 4 4 0.3 6 7 2,0.3 8 4 2 0.3 6 7 0,0.3 8 4 3 0.3 6 7 6,0.3 8 4 8 0.3 6 7 5,0.3 8 4 81 5 00.3 6 7 3,0.3 8 5 1 0.3 6 7 3,0.3 8 4 7 0.3 6 7 2,0.3 8 4 5 0.3 6 7 1,0.3 8 4 4 0.3 6 7 6,0.3 8 5 0 0.3 6 7 7,0.3 8 5 14波长和色坐标的测量4.1色坐标与几何条件的关系大功率L E D色坐标的测量也是放在积分球中进行,采用与光通量测量相同的方法。测量结果如表3所示。由表3可见,光源在距离球心不同的点测得的色坐标基本没有变化,积分球内不同位置对色坐标影响不敏感。同样,考察插座颜色对色坐标的影响。当插座颜色是白色时,测得色坐标为(0.3 6 7 1,0.3 8 4 4)。然后将其染成黑色,再进行色坐标测量,此时的值为(0.3 6 6 4,0.3 8 4 2)。可见,插座颜色对于色坐标的影响也可以忽略。4.2峰值波长与时间的关系用3 5 0 mA的恒流源点亮大功率L E D,测得蓝光激发的峰值波长 5 与时间的关系。如图4所示,大功率L E D的峰值波长是随时间的增加而逐渐向长波方向移动,开始点亮时,波长变化较大,1 0 mi n以后,峰值波长的偏移就不太明显。53第5期甘彬等:大功率白色发光二极管的特性研究图5是大功率L E D色坐标与时间的变化关系。在3 5 0 mA恒流源点亮后,随着时间的增加,色坐标x,y增大。白光L E D 6 是由蓝色L E D激发荧光粉发出黄色光混合而成的。随着时间的增加,P N结温度上升,蓝光的峰值波长向长波方向转变,激发荧光粉的波长变化,即黄光的波长发生变化,色坐标偏移。图4峰值波长与时间的关系图5色坐标与时间的关系4.3峰值波长与电流的关系图6示出了大功率L E D峰值波长与驱动电流的关系。为了避免时间因素的影响,采用瞬时恒流驱动大功率L E D。可见,随着电流的增加,峰值波长向短波方向偏移。在2 0 0 mA以下的电流点亮时,峰值波长偏移比较大,而在更大的电流点亮时,峰值波长趋于稳定。如果要用P N结温度变化来解释导致峰值波长的偏移的现象,那很明显,图6与图4相矛盾。图7是每个电流值稳定加热一段时间后测得的稳定峰值波长与电流的关系图,其峰值波长的偏移比图6要小。这是由于同时考虑了时间和电流的影响,长时间加热导致了峰值波长向长波方向偏移,而电流的增加使峰值波长向短波方向偏移。比较图4、图6和图7,可知电流的增加导致瞬时波长的偏移并不是由于P N结温度的变化引起的,而只是由于电流自身改变带来的影响。图8示出了电流和色坐标的关系。随着电流的增加,蓝光逐渐增强,色坐标下降。图6瞬时波峰与电流的关系图7稳定波峰与电流的关系图8色坐标与电流的关系63光学仪器第2 7卷5结论及分析对大功率L E D发光强度的几何条件进行了实验,得出在大于8 0 0 mm距离测得的发光强度可近似为真实值,原理性误差小于2%;光通量的实验结果表明大功率L E D在积分球内的不同位置的光通量会有一定变化,一般要求L E D放置在积分球球心附近,积分球内的插座、支架和导线均要喷涂成白色,以提高测量精度;色坐标的实验结果表明积分球内不同位置对色坐标影响不敏感,插座颜色也几乎不影响L E D色坐标。此外,还分析了大功率L E D的光强、光通量和峰值波长随时间变化的特性,最后归结为P N结温度对发光特性的影响较大。6参考文献 1 金尚忠,方晓,陈志明.L E D光强的测量 J .中国计量学报,1 9 9 5,1(9):6 1 6 6.2 张皖升,卜梁基.大功率发光二极管 J .物理学报,2 0 0 3,3 2(5):3 0 9 3 1 4.3 鲍超.超高亮度L E D测量的问题 J .液晶与显示,2 0 0 3,1 8(4):2 4 4 2 5 0.4 鲍超.b标准发光二极管的测量 J .物理学报,2 0 0 3,3 2(5):3 1 9 3 2 4.5 金尚忠,张在宣.白色L E D照明温度特性的研究 J .中国发光学报,2 0 0 2,2 3(4):3 9 9 4 0 2.6 Ma c hRM,Mu e l l e r GO.Wh i t el i g h t e mi t t i n gd i o d e sf o r i l l u mi n a t i o n J .S P I E=,2 0 0 0,3 9 3 8:3 0 4 1.消息新颖的低成本非致冷红外摄像机美国e g i s半导体公司最近开发出了一种采用光学读出的新颖非致冷长波红外成像技术。该成像技术利用半导体中的热光效应探测红外信号。其关键元件焦平面列阵由许多热可调谐薄膜滤光片膜片像元构成。每个热像元充当一个波长转换器,负责将远红外辐射信号转换成能被 D或 MO_摄像机探测的近红外信号。该公司利用光学滤光片和ME M_技术制作了一个不采用导线或主动制冷的1 6 0 1 2 0元低成本长波红外焦平面列阵。当在无温控条件下以2 2 ab帧速工作时,该列阵的NE c D为0.2 8 d。在2 0 0 5年5月举行的e红外技术与应用f f f g h _ P g E专题会议上,该公司科研人员对该技术作了详细介绍。(摘自i红外j)kl3k第5期甘彬等:大功率白色发光二极管的特性研究