从光度学与CIE规范谈如何量测LED

admin

一、前言
发光二极管(LightEmittingDiode;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LEDDisplay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(SpatialRadiation)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
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,FullWidthHalfMaximum)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(TotalLuminousFlux)
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(LuminousIntensity;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CIE1931ColorMatchingFunction(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CIE1931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CIE1931(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：CIE1931色度坐标值(ChromaticityCoordinates)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CIE1931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CIE1976UCS(UniformChromaticityScale)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(SpectralLocus)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(ColorTemperature)
光源之辐射能量分布与某一绝对温度下之标准黑体(BlackBodyRadiator)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(ColorTemperature)，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(PlanckianLocus)。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(CorrelatedColorTemperature;CCT)，通常以CIE1960UCS(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(IntegratingSphere)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（CIE127-1997），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？
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、SpectralDistribution、SpatialRadiation、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。