1.概述

LED作為新型光電發(fā)光器件，由于它的低碳環(huán)保體積小重量輕成本低壽命長的優(yōu)勢，正越來越受到人們的追捧，發(fā)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(tǒng)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(fā)展也很快，雖然它現(xiàn)在大多用于戶外，由于他的高亮度和逼真的色彩以及動態(tài)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(fā)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(fā)展至幾瓦乃至數(shù)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(fā)光效率已達100lm/W。特別是RGB－LED的研究結果表明，LED也與常規(guī)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(huán)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(tǒng)光源有較大差別，需要研究開發(fā)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(fā)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(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。據(jù)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(fā)光效率可達80～90%。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)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(jié)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)在LED手電一般是用小功率用的，光散不散，取決于LED的發(fā)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(fā)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(fā)光原理

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)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(huán)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(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)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(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光。

假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)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(fā)光的復合量相對于非發(fā)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(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數(shù)μm以內產生。

理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)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。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)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(fā)光管發(fā)光顏色分

按發(fā)光管發(fā)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(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。

根據(jù)發(fā)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(fā)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(fā)光二極管和達于做指示燈用。

（2）按發(fā)光管出光面特征分

按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)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(fā)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(fā)光強度角分布情況。

從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：

A.高指向性。一般為尖頭環(huán)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(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。

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(fā)光二極管的結構分

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

（4）按發(fā)光強度和工作電流分

按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)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(fā)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(fā)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(shù)CRI的目視實驗結果。

CIE 13.3－1995出版物中規(guī)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(shù)，這些顯色指數(shù)不立即替代目前的CIE顯色指數(shù)計算方法。新的顯色指數(shù)作為CIE CRI的補充，在成功地應用組合新的顯色指數(shù)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(fā)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(fā)光效率達100lm/W的報導。為確定合理的LED發(fā)光效率期待值，需要從光度學、色度學的基礎上計算LED發(fā)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(fā)出單色輻射頻率540.0154×1012Hz（波長555nm）的光源在給定方向上的發(fā)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(shù)值，可以計算出各種光源和LED的發(fā)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(fā)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(huán)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(fā)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(shù)Ra的條件下與理想等能白光比較，白光LED的極限發(fā)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(fā)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(fā)光效率也可根據(jù)數(shù)據(jù)進行估算。紅（643nm）、綠（535nm）、藍（460nm）的LED作為三基色，其極限發(fā)光效率值也可根據(jù)數(shù)據(jù)進行估算。

6.LED與傳統(tǒng)光源的比較

LED與傳統(tǒng)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(shù)與溫度有關；（4）LED光學參數(shù)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(fā)光強度（cd）

光通量是說明某一光源向四周空間發(fā)射出的總光能量。不同光源發(fā)出的光通量在空間的分布是不同的。發(fā)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(fā)射出的光通量。1cd = 1lm/1sr（sr：立體角的球面度單位）。

LED的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發(fā)光1坎德拉（符號為cd）。由于一般LED的發(fā)光強度小，所以發(fā)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(fā)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(qū)域發(fā)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(fā)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(guī)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(fā)光強度的定義進行，因此被稱為“平均發(fā)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(fā)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(fā)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(shù)據(jù)，便于修正測量值；F.配備高穩(wěn)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(yè)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(fā)射的光線對準積分球內表面響應均勻的區(qū)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(jù)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(xiàn)建議如下：

A.國家計量部門應該采用雙單色儀測量系統(tǒng)；B.單色儀測量系統(tǒng)可滿足工業(yè)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小；E.CCD測量儀器相對誤差較大。

（4）發(fā)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(fā)射光的強度。單位為坎德拉/平方米［cd/m2］，符號為L，表明發(fā)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(fā)出1坎德拉的發(fā)光強度。

（6）色溫（Co1or Temperature）

當光源所發(fā)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(fā)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(jù)以上對LED光學特性的分析，國家計量部門和工業(yè)界可應用常規(guī)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(shù)進行測量。

B.對于LED發(fā)光強度的測量，由于LED發(fā)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(fā)光強度（ALI）。

C.為了提高平均發(fā)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(huán)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(wěn)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(fā)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(yōu)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(yè)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(fā)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(jié)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?lián)Q代，而且推廣速度快，市場需求量很大。

（2）汽車工業(yè)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(fā)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(fā)光燈來擔當，所以均在逐步采用LED顯示。我國汽車工業(yè)正處于大發(fā)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(fā)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(fā)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(yōu)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(fā)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。現(xiàn)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(fā)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(fā)展。日本為節(jié)約能源，正在計劃替代白熾燈的發(fā)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(shù)的白熾燈和熒光燈，每年可節(jié)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(fā)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(huán)境。我國于2004年投資50億大力發(fā)展節(jié)能環(huán)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(fā)光，僅溫州地區(qū)一年要用5億只發(fā)光二極管；利用發(fā)光二極管作為電動牙刷的電量指示燈，據(jù)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(fā)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(qū)銷勢強勁，受到人們普遍的歡迎，正在威脅和替代現(xiàn)有電泡的圣誕市場。

10.LED面臨的一些問題

在國家推動產業(yè)結構優(yōu)化升級、培育新的產業(yè)增長點這一戰(zhàn)略任務的指導下，LED成為各地方政府的發(fā)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(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，國內掀起了一股LED投資熱潮。作為占據(jù)國內LED總產值的近半壁江山的廣東，今年5月發(fā)布的《關于加快經濟發(fā)展方式轉變的若干意見》中，將半導體照明（LED）產業(yè)列為廣東近期重點主抓的三大戰(zhàn)略性新興產業(yè)之一。LED產業(yè)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(yè)列為支柱型產業(yè)發(fā)展。LED產業(yè)已經呈現(xiàn)出全面開花之勢。國內LED企業(yè)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(yè)龍頭企業(yè)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(yè)熱潮幾乎席卷了整個行業(yè)，由于國內LED產品技術整體水平不高，國內企業(yè)普遍規(guī)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(zhàn)，同時LED產業(yè)內也出現(xiàn)了無序投資、惡性競爭等現(xiàn)象。從目前國內市場動態(tài)和LED產業(yè)結構分布來看，已經出現(xiàn)很嚴重的重復投資的問題。

另外，一些地方政府在發(fā)展經濟中有意將地方市場向本地企業(yè)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(qū)之間的產業(yè)項目趨同，直接加大產業(yè)泡沫，阻礙區(qū)域一體化發(fā)展進程。不同區(qū)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(chuàng)新設計能力明顯不足等。要解決好這些問題，才能使LED產業(yè)發(fā)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(yè)可以長期健康發(fā)展的基礎，政府要在政策、法規(guī)、研發(fā)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(guī)劃，才能引導LED產業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

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