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0431-81702023
LED
從光度學與CIE規范談如何量測LED

一、 前言
發光二極管(Light Emitting Diode; LED)是半導體材料制成的組件,為一種微細的固態光源,可將電能轉換為光,其發光原理是在一順偏之二極管p-n接合面處,自由電子與電洞發生復合作用(Recombination),因自由電子由高能階掉到能量較低的價帶時,釋放出能量而產生光與熱,其不但體積小,且具有壽命長、驅動電壓低、反應速率快、耐震性佳、耗電少、發熱少、色彩純度高等特性,不僅能夠配合各種應用設備的輕、薄及小型化之需求,隨著藍光LED的開發,亦使得LED Display得以全彩化,再加上白光LED的相繼推出,更被譽為是下一代照明工業的主流。綜上所述,隨著LED應用的多元化,在其旋光性與電性的測試篩選上,自然較以往嚴格許多,試想,在一塊顯示看板上所使用的LED,若其彼此的光電特性差異過大,將造成各點亮度與顏色的不同,降低了整體均勻度,而影響呈現的品質,如此可見LED在品管測試上的重要性。以下本文將就LED的特性、旋光性相關量測單位、量測項目與CIE建議測試規范做一簡介。
二、LED的特性與影響因素
空間輻射(Spatial Radiation)分布
LED封裝后的樹脂外殼,除了具有保護晶粒的作用外,亦會影響LED發光的方向性,而所謂空間輻射分布,系指不同視角與LED的相對發光強度變化關系,即用以描述不同方向下,LED的發光強度變化,其系取決于LED的封裝方式,如內建微透鏡將可改變不同視角與相對發光強度的分布關系,以因應用途需求而強化其發光指向性(集中)或擴散性(分散)。
光譜(Spectrum)分布<BR>因使用材料的不同,LED可設計出紅、橙、黃、綠、藍、紫等各顏色不同波段的光,以及紅外、紫外等不可見光LED,且封裝外殼顏色亦會對其光譜產生影響,其光譜半波寬(FWHM, Full Width Half Maximum)通常較窄,約數十奈米(nm)左右。
工作電流
LED的光強度與供應電流關系密切,是以量測時之供應電流須穩定,以免影響量測結果。
三、旋光性量測單位
全光通量(Total Luminous Flux)
不同波長之光輻射通量對人眼有不同權重之感應,光源之輻射通量依照其內各波長相對應之權重造成 人眼所感應的通量,稱之為光通量,單位為流明(Lumen; lm),而全光通量則定義為光源向各方向所發射光通量之總和,其示意圖如下。
光強度(Luminous Intensity; IV)
光強度定義為單位立體角所發射出的光通量,單位為燭光(Candela, cd)。一般而言,光源會向不同方向以不同強度放射出其光通量,在特定方向單位立體角所放出之可見光輻射強度即稱之為光強度。示意圖如下。
色度(Chromaticity)
人眼對色彩的感知是一種錯綜復雜的過程,為了將色彩的描述加以量化,國際照明協會(CIE)根據標準觀測者的視覺實驗,將人眼對不同波長的輻射能所引起的視覺感加以紀錄,計算出紅、綠、藍三原色的配色函數,經過數學轉換后即得所謂的CIE 1931 Color Matching Function(x((), y((), z(()),如下圖所示。而根據此一配色函數,后續發展出數種色彩度量定義,使人們得以對色彩加以描述運用。
根據CIE 1931配色函數,將人眼對可見光的刺激值以XYZ表示,經下列公式換算得到x, y值,即CIE 1931(x, y)色度坐標,透過此統一標準,對色彩的描述便得以量化并加以控制。x, y :CIE 1931 色度坐標值 (Chromaticity Coordinates) 然而,由于以(x, y)色度坐標所建構之色域為非均勻性,使色差難以量化表示,所以CIE于1976年將CIE 1931色度坐標加以轉換,使其所形成之色域為接近均勻之色度空間,讓色彩差異得以量化表示,即CIE 1976 UCS(Uniform Chromaticity Scale)色度坐標,以(u', v')表示
主波長(λD)
其亦為表達顏色的方法之一,在得到待測件的色度坐標(x, y)后,將其標示于CIE色度坐標圖(如下圖)上,連結E光源色度點(色度坐標(x,y)=(0.333, 0.333))與該點并延伸該連結線,此延長線與光譜軌跡(馬蹄形)相交的波長值即稱之為該待測件的主波長。惟應注意的是,此種標示方法下相同主波長將代表多個不同色度點,是以用于待測件色度點鄰近光譜軌跡時較具意義,而白光LED則無法以此種方式描述其顏色特性。
純度(Purity)
其為以主波長描述顏色時之輔助表示,以百分比計,定義為待測件色度坐標與E光源之色度坐標直線距離與E光源至該待測件主波長之光譜軌跡(Spectral Locus)色度坐標距離的百分比,純度愈高,代表待測件的色度坐標愈接近其該主波長的光譜色,是以純度愈高的待測件,愈適合以主波長描述其顏色特性,LED即是一例。
色溫(Color Temperature)
光源之輻射能量分布與某一絕對溫度下之標準黑體 (Black Body Radiator) 輻射能量分布相同時,其光源色度與此黑體輻射之色度相同,此時光源色度以所對應之絕對溫度表之,此溫度稱之為色溫( Color Temperature),而在各溫度下之黑體輻射所呈現之色度可在色度圖上標出曲線,稱之為蒲朗克軌跡(Planckian Locus)。標準黑體的溫度愈高,其輻射出的光線對人眼產生藍色刺激愈多,紅色刺激成分亦相對減少。然而在實際量測上,無任何光源具有跟黑體相同的輻射能量分布,換言之,待測光源之色度通常并未落在蒲朗克軌跡上。因此計算待測光源之色度坐標所最接近蒲朗克軌跡上某個坐標點,此點之黑體溫度即定義為該光源之相關色溫(Correlated Color Temperature; CCT),通常以CIE 1960 UCS ( u, v)色度圖求之,并配合色差△uv加以描述。須注意的是,此種表示方式對光源色度鄰近蒲朗克軌跡時方具意義,是以對于LED量測而言,僅適用于白光LED之顏色描述。
半功率角量測
所謂半功率角定義為仰角0度時,由LED的幾何中心點起算相對光強度為50﹪的兩點間所張之角度。其量測方式系以光偵測器依LED中心位置為0度,由-90度掃描至+90度,即可得該待測LED之空間輻射分布圖,如下圖所示。再依定義求得半功率角,惟須注意的是光偵測器的受光面積不宜太大,以免影響量測分辨率。
全光通量量測
光通量量測有雙旋角光度計(Goniophotometer)與積分球(Integrating Sphere)量測兩種方式,雖然雙旋角光度計可得到精確的量測值,但由于設備昂貴且復雜,一般均采用積分球量測方式,其架構示意如下。須注意的是隨待測LED大小不同,積分球開孔孔徑亦會變化,使用之積分球大小亦須調整匹配。
結論
隨著LED產品從早期的顯示用途擴展到照明設備的應用,以及封裝方式的多元化,如何正確地量測LED特性,并因應不同應用需求變化量測方式,已成為提升LED產品品質的重要課題,是以在進行LED量測時,須特別注意下列兩個問題:
1. 測試方式是否依循國際公認之量測規范?
為使量測結果可通用比較,測試方式須基于相同條件下方得以溝通,為此,國際照明協會考量LED的發光特性,制定了條件A與條件B二種不同測試條件,以量測不同輻射空間分布特性LED之平均光強度(CIE 127-1997),是以在選擇測試設備時,須注意其系統設計是否依循CIE測試規范?儀器校正是否追溯國家標準(如美國國家標準NIST或中 華民國國家標準NML)?全光通量量測時積分球是否依待測LED尺寸大小選擇合適之規格?以及積分球之幾何設計是否合于CIE規范?
2. LED之特性描述是否完整?<BR>為滿足LED的多元應用需求,使用之測試設備須可提供以下諸項之測試結果:Iv、Φ、(x, y)、λD、λP 、△λ0.5、(u',v')、CCT、Purity、Spectral Distribution、Spatial Radiation、VF、IR、VBR、CVF 與 THY。且為因應多晶封裝LED之測試需求,其測試系統之軟硬件設計亦必須可支持。
綜上所述,LED業者若能對量測方式有正確認知并加以落實,將更能掌握LED的各種特性,進而改善其產品規格,提升附加價值,以利于各式產品的應用。



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