电光源基本知识

1. 电光源的分类
根据光的产生原理,电光源主要分为两大类。
A.一类是以热辐射作为光辐射原理的电光源,包括白炽灯和卤钨灯,它们都是以钨丝为辐射体,通电后使之达到白炽温度,产生热辐射。这种光源统称为热辐射光源,目前仍是重要的照明光源,生产数量极大。
B.另一类是各种气体放电光源,它们主要以原子辐射形式产生光辐射。根据这些光源中气体的压力,又可分为低气压气体放电光源和高气压放电光源。
2 .电光源的性能指标
电光源根据其名称就可知它主要有光与电两方面的性能指标,这两方面的性能指标当然有着密切的联系。但作为光源,主要还是光的性能指标,而对电的指标也往往注重于它对光性能的影响。
(1) 光通量
光源的光通量表征着光源的发光能力,是光源的重要性指标。光源的额定光通量指光源在额定电压、额定功率的条件下工作,并能无拘束地发出光的工作环境下的光通量输出。
光源的光通量随光源点燃时间会发生变化,即点燃时间越长,光通量因衰减而变得越小。大部分光源在燃点初期光通量衰减较多,随着燃点时间的增长,衰减也逐渐减小。光源的额定光通量有两种情况:一种指电光源的初始光通量,即新光源刚开始点燃时的光通量输出,它一般用于在整个使用过程中光通量衰减不大的光源,例如卤钨灯;另一种情况是指光源使用了 100 小时后的光通量输出,它一般用于光通量衰减较大的光源,例如荧光灯。
(2) 发光效率
光源的光通量输出与它取用的电功率的比称为光源的发光效率,简称光效,单位是 lm/w 。在照明设计中应优先选用光效高的光源。
(3) 显色性
显色性是光源的一个重要性能指标。通常情况下光源一般用显色指数衡量其显色性,可概分为 4 组,在对某些颜色有特殊要求时则采用特殊显色指数。
光源的显色指数应用示例
(4) 色表
光源的色表是指其表观颜色,它和光源的显色性是两个不同的概念。例如荧光高压汞灯的灯光从远处看又白又亮,色表较好,但该灯光下人的脸部呈现青色,说明它的显色性并不是很好。色表同样是电光源的重要性能指标。
光源的色表虽然可以用红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等形容词来表示,但为了定量表示,常用相关色温来度量。光源的色表可以根据它们的相关色温分成三类。

LED相关中英文对照

1、衬底技术:LED 衬底 材料;衬底 结构;衬底 抛光;衬底 切割;衬底 掺杂;
衬底(substrate underlayment  substratum)材料(material)结构(structure  formation) 抛光(polishing)切割(cut)掺杂(doping)
2、外延技术:外延 工艺,外延 退火;LED 缓冲层,LED 覆盖层,LED 量子阱,LED 晶格,LED 接触层
外延(epitaxial) 工艺(manufacturing process)退火(annealing)缓冲层(buffer layer)覆盖层(covering layers ;overlay)量子阱(quantum well) 晶格(lattice) 超晶格(superlattice)接触层(contact layer)
3、芯片技术:芯片 结构;芯片 制造;表面粗糙;外形;光子 晶体;衬底 剥离;衬底 健合;导光结构;划片;刻蚀;钝化;电极;
芯片(chip)结构(structure  formation) 制造 (manufacturing,manufacture)表面(surface)粗糙(rough)外形(form;appearance)光子(photon,photonic) 晶体(crystal)剥离(stripping)健合(bond)导光(Light conducting;Guiding light)划片(dicing)刻蚀(etching)钝化(Passivation)电极(electrode)
4、封装技术:封装体、基座、透镜、反射体、引线、引线框架、热沉、白光、荧光粉、测量、导光板、粘结剂、材料、改进、形状、结构;
封装(encapsulation;packaging)透镜(lens)反射体(reflector)引线框架(Leadframe)引线(Lead wire)热沉(Heat sink)白光(white light)荧光粉(phosphor)测量(measure)导光板(light guide plate;Light conducting plate)粘结剂(adhesive)材料(material)改进(Modified)结构(structure  formation)形状(shape,form)
5、应用技术:汽车 照明、室内 照明、手机背光源、液晶显示 背光源
应用(application)汽车(car,automobile,vehicle)室内(Indoors,room)手机(Mobile,cellphone)照明(illumination,lighting)液晶显示(LCD,liquid crystal display)背光源(Backlight source)
荧光材料:荧光 芯片;荧光 封装体;荧光基板;荧光 材料 芯片;荧光 反射体;荧光 粘结剂;荧光 导光板;荧光 间隔膜;荧光 有源层;
荧光材料(Fluorescent material)芯片(chip)荧光粉(phosphor)封装体(package)基板(substrate)材料(material)反射体(reflector)粘结剂(adhesive)导光板(light guide plate;Light conducting plate)间隔膜(diaphragm)有源层(active layer)

改善LED散热性能的几个途径

 由于LED萌生的光线在封装天然树脂内反射,假如运用可以变更芯片侧面光线挺进方向的天然树脂材质反射板,则反射板会借鉴光线,使光线的抽取量急速锐减。因为这个,不可少想办法减低LED芯片的温度,换言之,减低LED芯片到烧焊点的热阻抗,可以管用减缓LED芯片降低温度效用的负担。
    相关LED的运用生存的年限,例如改用硅质封装材料与瓷陶封装材料,能使LED的运用生存的年限增长一位数,特别是白光LED的闪光频谱包括波长低于450nm短波长光线,传统环氧气天然树脂封装材料极易被短波长光线毁伤,高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化,依据业者测试 最后结果显露 蝉联点灯不到10,000小时,高功率白光LED的亮度已经减低二分之一以上,根本没有办法满意照明光源长生存的年限的基本要求。到现在为止有两种延长组件运用生存的年限的对策,作别是,制约白光LED群体的温升,和休止运用天然树脂封装形式。
 不过,其实大功率LED 的发卡路里比小功率LED高数十倍以上,并且温升还会使闪光速率大幅下跌。具体内部实质意义作别是:减低芯片到封装的热阻抗、制约封装至印刷电路基板的热阻抗、增长芯片的散热顺利通畅性。
  想办法减损热阻抗、改善散热问题
  相关LED的闪光速率,改善芯片结构与封装结构,都可以达到与低功率白光LED相同水准。有鉴于此美国Lumileds与东洋CITIZEN等照明设施、LED封装厂商,一个跟着一个研发高功率LED用简易散热技术,CITIZEN在2004年着手着手制作白光LED样品封装,不必特别结合技术也能够将厚约2~3mm散热装置的卡路里直接排放到外部,依据该CITIZEN报导固然LED芯片的结合点到散热装置的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大,并且在普通背景下室温会使热阻抗增加1W左右,纵然是传统印刷电路板无冷却风扇强迫空冷状况下,该白光LED板块也可以蝉联点灯运用。
  相关闪光特别的性质平均性,普通觉得只要改善白光LED的荧光体材料液体浓度平均性与荧光体的制造技术,应当可以克服上面所说的围困并搅扰。
  因为增加电力反倒会导致封装的热阻抗急速降至10K/W以下,因为这个海外业者以前研发耐高温白光LED,打算借此改善上面所说的问题。
  固然硅质封装材料可以保证LED的40,000小时的运用生存的年限,不过照明设施业者却显露出来不一样的看法,主要争辩是传统电灯泡与日光灯的运用生存的年限,被定义成“亮度降至30百分之百以下”。亮度减半时间为四万钟头的LED,若换算成亮度降至30百分之百以下的话,大约只剩二万钟头左右。
  普通觉得假如彻底执行以上两项延寿对策,可以达到亮度30百分之百时四万钟头的要求。因为这个,松下电工研发印刷电路板与封装一体化技术,该企业将1mm正方形的蓝光LED以flip chip形式封装在瓷陶基板上,继续再将瓷陶基板粘附在铜质印刷电路板外表,依据松下报道里面含有印刷电路板顺德led显示屏在内板块群体的热阻抗约是15K/W左右。所以Lumileds与CITIZEN是采取增长结合点容许温度,德国OSRAM企业则是将LED芯片设置在散热装置外表,达到9K/W超低热阻抗记录,该记录比OSRAM以往研发同级产品的热阻抗减损40百分之百。值当一提的是该LED板块 封装时,认为合适而使用与传统办法相同的flip chip形式,然而LED板块与散热装置结合乎时常,则挑选最靠近LED芯片闪光层作为结合面,借此使闪光层的卡路里能够以最短距离传导排放。
  以往LED 业者为了取得充分的白光LED 光柱,以前研发大尺寸LED芯片 打算藉此形式达到预先期待目的。如上增长给予电力的同时,不可少想办法减损热阻抗、改善散热问题。然而,其实白光LED的给予电努力坚持续超过1W以上时光柱反倒会减退,闪光速率相对减低20~30百分之百。换言之,白光LED的亮度假如要比传统LED大数倍,耗费电力特别的性质逾越日光灯的话,就不可少克服下面所开列四大课题:制约温升、保证运用生存的年限、改善闪光速率,以及闪光特别的性质平均化。反过来说纵然白光LED具有制约热阻抗的结构,假如卡路里没有办法从封装传导到印刷电路板的话,LED温度升涨的最后结果毅然会使闪光速率急速下跌。
解决封装的散热问题才是根本办法。
  温升问题的解决办法是减低封装的热阻抗;保持LED的运用生存的年限的办法是改善芯片外形、认为合适而使用小规模芯片;改善LED的闪光速率的办法是改善芯片结构、认为合适而使用小规模芯片;至于闪光特别的性质平均化的办法是改善LED的封装办法,这些个办法已经陆续被研发中。因为环氧气天然树脂借鉴波长为400~450nm的光线的百分率高达45%,硅质封装材料则低于1百分之百,辉度减半的时间环氧气天然树脂不到一万钟头,硅质封装材料可以延长到四万钟头左右,几乎与照明设施的预设生存的年限相同,这意味着照明设施运用时期不需改易白光LED。然而硅质天然树脂归属高弹性软和材料,加工时不可少运用不会刮伤硅质天然树脂外表的制造技术,这个之外加工时硅质天然树脂极易依附粉屑,因为这个未来不可少研发可以改善外表特别的性质的技术。
  相关LED的长命化,到现在为止LED厂商采取的对策是改变封装材料,同时将荧光材料散布在封装材料内,特别是硅质封装材料比传统蓝光、近紫外线LED芯片上方环氧气天然树脂封装材料,可以更管用制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度。
  改变封装材料制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度
  2003年东芝Lighting以前在400mm正方形的铝合金外表,铺修闪光速率为60lm/W低热阻抗白光LED,无冷却风扇等特别散热组件前提下,试着制做光柱为300lm的LED板块。主要端由是电流疏密程度增长2倍以上时,不惟不由得易从大型芯片抽取光线,最后结果反倒会导致闪光速率还不如低功率白光LED的窘境。依据德国OSRAM Opto Semi conductors Gmb实验最后结果证明,上面所说的结构的LED芯片到烧焊点的热阻抗可以减低9K/W,约是传统LED的1/6左右,封装后的LED给予2W的电力时,LED芯片的结合温度比烧焊点高18K,纵然印刷电路板温度升涨到50℃,结合温度顶多只有70℃左右;相形之下过去热阻抗一朝减低的话,LED芯片的结合温度便会遭受印刷电路板温度的影响。制约白光LED温升可以认为合适而使用冷却LED封装印刷电路板的办法,主要端由是封装天然树脂高温状况下,加上强光映射会迅速劣化,沿袭阿雷纽斯法则温度减低10℃生存的年限会延长2倍 中国照明电器协会 LED照明门户网站。
  因为散热装置与印刷电路板之间的细致精密性直接左右导热效果,因为这个印刷电路板的预设变得十分复杂。
  为了减低热阻抗,很多海外LED厂商将LED芯片设置在铜与瓷陶材料制成的散热装置(heat sink)外表,继续再用烧焊形式将印刷电路板的散热用导线连署到利用冷却风扇强迫空冷的散热装置上。因为东芝Lighting领有浩博的试着制做经验,因为这个该企业表达因为摹拟剖析技术的进步提高,2006年在这以后超过60lm/W的白光LED,都可以轻松利用灯具、框体增长导热性,或是利用冷却风扇强迫空冷形式预设照明设施的散热,不必特别散热技术的板块结构也能够运用白光LED。
  Lumileds于2005年着手制作的高功率LED芯片,结合容许温度更高达+185℃,比其他企业同级产品高60℃,利用传统RF 4印刷电路板封装时,四周围背景温度40℃范围内可以输入相当于1.5W电力的电流(约是400mA)。这也是LED厂商完全一样认为合适而使用瓷陶系与金属系封装材料主要端由。纵然封装技术准许高卡路里,然而LED芯片的结合温度却可能超过容许值,最终业者终于了悟到解决封装的散热问题才是根本办法。
      三种主流LED封装散热结构
      LED封装光源的散热问题,一直是LED产品开发中遇到非常重要的问题,特别是散热材料的选用,一直是工程师的难题。因为产品材料的导热性能就非常之关键。
       就目前而言,陶瓷材料是导热性能非常好的材料,它有导热率高,良好的物量性能(不不收缩,不变形),良好的绝缘性能与导热性能。因此,采用陶瓷材料将是未来LED产品开发的主流趋势!
      下面对几种LED封装常用材料的相关参数、性质及结构进行了对比。并图解了LED封装常用陶瓷支架的生产原理。
       从提供的资料看,所用的陶瓷材料是三氧化二铝,我认为用它替代铜,简直是技术倒退!除非你打算让LED的芯片工作到150度以上的温度。大家实测一下图中第一和第二种结构芯片的温度就知道那种陶瓷的不好了。
      大家要明白,电子工业中采用所谓“导热陶瓷”(实际导热远不如铜、铝等金属)的目的是什么。并非是它导热比常用的导热金属的导热能力强,而是在于陶瓷的绝缘性能和低的膨胀系数。当这两项参数不是问题时,使用陶瓷绝对无益。导热好的陶瓷导热性能不如铜,与铝相当,价格高,加工难,脆性大,不抗震动。
LED热隔离封装技术及对光电性能的改善。
       在传统的白光LED封装结构中,荧光粉直接涂覆于芯片上面,工作时,芯片释放的热量直接加载在荧光粉上面,导致了荧光粉的温升,使得荧光粉在高温下转化效率降低。而在荧光粉与芯片之间引入一层低导热的热隔离层能够有效的阻止芯片的热量直接加载到荧光粉上,降低了荧光粉层温度,使得白光LED在大电流注入下都能保持较高的流明效率。除了芯片释放的热量之外,涂覆的荧光粉受蓝光激发时,因荧光粉的转化效率尚未达到100%,另外由于散射等其它损耗的存在,荧光粉颗粒本身也会有少量的热量释放,容易形成局域热量累积,为此当荧光粉材料转化效率较低时,还需为荧光粉提供散热通道,防止荧光粉颗粒局域热的生成。下面通过传统荧光粉涂覆方式和热隔离封装方式两组实验对比了解两种结构中芯片和荧光粉的热相互作用。 
  1.LED芯片对荧光粉的加热
  为了评价LED芯片对荧光粉热性能方面的影响,我们制作了两组白光LED封装结构,一组采用传统的荧光粉涂覆方式,另一组采用热隔离的荧光粉涂覆方式,图1是该热隔离封装结构的剖面制样图。
      图1 传统白光LED横截面图示(a)荧光粉热隔离封装结构(b),h=1mm[14-16].
  荧光粉热隔离封装结构是通过荧光粉覆膜的方式实现的。荧光粉覆膜技术是我们提出的一种新型荧光粉涂覆方法,即根据出光要求设计好荧光粉膜层的结构,在专用模具内完成荧光粉膜层的成型,剥离后,将荧光粉膜层转移到LED芯片上方,同时LED芯片和荧光粉膜层中间还有一层低导热系数的硅胶层。为了表明两种封装结构热性能上的差别,我们比较了两种封装结构表面的温度分布图。图2是两种封装结构在200、350和500mA直流驱动下表面IR Camera测得温度径向分布。在200 mA驱动电流下时,热隔离封装结构比传统封装方式中心温度低1.6℃。在350mA和500mA注入电流下时,荧光粉层的温差分别达到了8.5℃和16.8℃,并且在500mA注入电流下时,传统结构荧光粉的表层最高温度已经达到130.2℃。另外,热隔离封装结构整个荧光粉表层的温度都很均匀,而传统结构中荧光粉中心温度较高,在大电流时尤为明显。
  我们通过有限元模拟来分析封装结构中的参数变化对白光LED性能的影响。结果表明,可以通过封装结构设计及封装材料热导率调整来调控荧光粉层的温度。图3是LED热隔离封装结构中的温度纵向分布,荧光粉层的温度通过引入的热隔离硅胶层大大降低了。 
      图2 传统结构和热隔离结构中荧光粉表面的温度曲线,红色为实验值,蓝色为模拟值[14]
      图3 热隔离封装结构中,样品沿h2方向的径向温度分布(h2=1mm)
  综上所述,降低荧光粉层温度的有效办法是在芯片与荧光粉层之间引入低导热的热隔离层,尤其对于更大功率的LED器件而言,对荧光粉的热控制技术显得尤为重要。
      2.荧光粉局域热效应
  荧光粉层并不是具有均匀热导率的单一介质,而是由荧光粉颗粒与低导热的硅胶混合而成,每颗荧光粉颗粒由硅胶包裹而成。我们的研究结果表明荧光粉颗粒在不同的转化效率下(即不同的释热量)芯片和荧光粉的温场分布。在荧光粉转化效率高(>80%)的情况下,荧光粉的温度主要受芯片加热的影响。荧光粉距离芯片越近,温度越高,热隔离的措施能有效降低荧光粉的温度。在荧光粉颗粒发热明显的情况下,由于包裹荧光粉颗粒是低导热率的硅胶,荧光粉颗粒会形成局域热量,使得荧光粉颗粒的温度升高,甚至超过芯片的温度。而出现荧光粉局域热量的条件是荧光粉的低转化效率,导致荧光粉释热大。
  在实际的LED封装结构中,荧光粉的转化效率高,荧光粉的温度主要是由于芯片的加热作用,荧光粉与芯片直接有效的热隔离能明显降低荧光粉的温度。进一步降低荧光粉层的温度可以通过提高荧光粉层的导热率来实现。
  为了表明两种封装结构对白光LED光色性能的影响,我们把LED白光光谱中蓝光波段(Blue)和黄光波段(Yellow)提取出来,以蓝光波段光谱和黄光波段光谱的积分量比例值(B/Y)作为光谱评价依据。图4表明的是电流从50mA到800mA,两种情况下B/Y值跟注入电流的关系,B/Y值的变化反映了白光LED光色的变化,在图6中,我们展示了两种结构中光通量、色温(CCT)跟注入电流的变化关系。两种封装结构中,注入电流在达到300mA以前,两者光通量的值几乎没发生变化,随着注入电流的继续升高,热隔离封装结构显示了更好的光饱和性能。色温CCT反映了白光LED光色的表现性能,注入电流从50mA增加到800mA,热隔离结构的LED色温仅变化253K,而传统结构LED色温变化达1773K。图5中B/Y值的变化也反映了这种趋势,热隔离封装结构在较大的电流变化范围内B/Y值变化很小,而传统结构中B/Y值的变化很大。在传统结构中,电流越大时,B/Y值也随着增大,这说明随着电流增加,LED光谱中蓝光成分增强,而将蓝光转化为黄光的荧光粉转化效率下降。而造成荧光粉转化效率下降的一个重要原因就是芯片对荧光粉的加热,造成了荧光粉温度上升。
      图4 两种封装结构中白光LED光谱中蓝光段(Blue)与黄光段(Yellow)光强比(B/Y)(插图是蓝光和黄光比例)[14]
      图5 两种封装结构光通量(左轴)和色温(右轴)与电流的依赖关系[14]
  荧光粉热隔离封装结构带来光色性能的改善,一个重要原因是由于该结构降低了荧光粉的温度,使得荧光粉保持了较高的转化效率。

 

白光LED的特性参数

从目前的LED产品的机理和结构来看,以下几个方面是用来衡量LED优劣的特性参数。
(1)白光LED电流/电压参数(正、反向)
LED的电性能具有典型的PN结伏安特性,不同的电流直接影响LED的发光亮度和PN结的结温.在照明应用中,为了获得大功率的LED灯,往往将许多个发光二极管通过一定的串并联方式组合在一起,相关的各个LED的特性必须匹配,在交流工作状态还必须考虑其反向电特性,因此必须测试它们在工作点上的正向电流和正向压降,以及反向漏电流和反向击穿电压等参数。
(2)白光LED光通量和辐射通量
发光二极管单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量,也就是光功率(W).对于照明用LED光源,我们更关心的是照明的视觉效果,即光源发射的辐射通量中能引起人眼感知的那部分当量,称作为光通量ΦV(1m).
辐射通量与器件的电功率之比表示LED的辐射效率;光通量与器件的电度指在给定方向上单位立体角内所发射的光通量:
            I= dΦ/dΩ(cd)               (2-1)
光强分布曲线如图1所示,是表示LED发光在空间各方向的分布状态.在照明应用中计算工作面的照度均匀性和LED灯的空间布置,光强分布是最基本的数据.对于空间光束为旋转对称型分布的LED,用一个过光束轴平面上的曲线表示即可.对光束为椭圆形分布的LED,则用过光束轴及椭圆形长短轴的两个垂直平面上的曲线来表示.对于非对称的复杂图形,一般用过光束轴的六个以上截面的平面曲线来表示.
发光角(或光束角)通常用半强度角θ1/2表示,即在光强分布图中光强大于等于峰值光强1/2时所包含的光束角度.
(4)白光LED光谱功率分布
LED的光谱功率分布表示辐射功率随波长的变化函数,它既确定了发光的颜色,也确定了它的光通量以及它的显色指数.通常用相对光谱功率分布S(λ)表示,光谱功率沿峰值两边下降到其值的50%时,所对应的两个波长之差Δλ=λ2-λ1,即为光谱带.
(5)白光LED色品坐标
选三原色红(R)、绿(G)、蓝(B).
X=R/(R+G+B),Y=G/(R+G+B),Z=B/(R+G+B)         (2-2)
由于X+Y+Z=1,所以只用给出X和Y的值,就能唯一地确定一种颜色.这就是通常所说的色度图,为了使坐标值能直接表示亮度大小,国际照明协会规定采用另一种色度坐标X、Y、Z,与R、G、B间存在线性换算关系.若以x、y作为平面坐标系,将自然界中的各种彩色按比色实验法测出其x、y数值,并绘在该坐标平面内,便可得到图2-1所示的色度图.该色度图边沿舌形曲线上的任一点都代表某一波长光的色调,而曲线内的任一点均表示人眼能看到的某一种混合光的颜色.其中白光区域的特征点A、B、C、D65、E的坐标值和色温见表2-1.
表2-1 特征点对应的色坐标值和色温
光源点    X坐标    Y坐标    色温(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色温和显色指数
对于白光LED等发光颜色基本为“白光”的光源用色品坐标可以准确地表达该光源的表观颜色.但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起.人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”,比较炽白或稍偏兰的称为“冷色”,因此用色温来表示光源的光色会更加直观.
光源的发光颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时,则称黑体的温度为该光源的色温(color temperature) T,单位为开(K).对于白光LED,其发光颜色往往与各种温度下的黑体(完全辐射体)的色品坐标都不可能完全相同,这时就不能用色温表示.为了便于比较,而采用相关色温(CCT)的概念.也就是当光源的色品与完全辐射体在某一温度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品图上的色品差最小时,则该完全辐射体的温度称为该光源的相关色温R1.
用于照明工程的LED,尤其是白光LED,除表现颜色外,更重要的特性往往是周围的物体在LED光照明下所呈现出来的颜色与该物件在完全辐射(如日光)下的颜色是否一致,即所谓的显色特性.
1974年CIE推荐了用“试验色”法来定量评价光源显色性的方法,它是测量参照光源照明下和待测光源照明下标准样品的总色位移量为基础来规定待测光源的显色性,用一个显色指数值来表示.CIE规定用完全辐射体或标准照明体D作为参照光源,并将其显色指数定为100,还规定了若干测试用的标准色样.
根据在参照光源下和待测光源下,上述标准色样形成的色差来评定待测光源显色性的好坏.光源对某一种标准色样品的显色指数称为特殊显色指数R1.
          R1=100-4.6△Ei                 (2-3)
式中△Ei为第i号标准色样在参照光源下和待测光源下的色差.
CIE推荐的标准色样共有14种.其1-8号为中等饱和度、中等明度的常用代表性色调样品,第9至14号样品包括红、黄、绿、蓝等几种饱和色、欧美的皮肤色和树叶绿色.在一些特殊场合使用的LED光源,必须考核其特殊的显色指数.1985年国家制定了“光源显色性评价方法”标准,并增加了中国人女性肤色的色样,作为第十五种标准色样.这对于评价在电视演播室、商场、美容场所等照明用LED光源的显色性尤为重要.
光源对前8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra.
(7)白光LED热性能
照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一,与此同时,LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要,一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示.
(8)白光LED辐射安全
目前,国际电工委员会IEC将LED产品等同于半导体激光器的要求进行辐射的安全测试和论证.因LED是窄光束、高亮度的发光器件,考虑到其辐射可能对人眼视网膜的危害,因此,对于不同场合应用的LED,国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法.目前在欧盟和美国,照明LED产品的辐射安全作为一项强制性的安全要求执行.
(9)白光LED可靠性和寿命
可靠性指标是衡量LED在各种环境中正常工作的能力.在液晶背光源和大屏幕显示中特别重要.寿命是评价LED产品可用周期的质量指标,通常用有效寿命或终了寿命表示.在照明应用中,有效寿命是指LED在额定功率条件下,光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间.
1)平均寿命
一批LED同时点亮,当经过一段时间后,LED不亮达到50%时所用的时间.
2)经济寿命
在同时考虑LED损坏以及光输出衰减的状况下,其综合输出减至一特定比例时的小时数.此比例用于室外光源为70%,用于室内光源为80%.

 

关于LED的特征参数解析

光强度(Luminous Intensity; 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。
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CIE1931Color Matching Function(x((),y((),z(()),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(Chromaticity Coordinates)
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(Uniform Chromaticity Scale)色度坐标,以(u',v‘)表示,计算公式如下所示:
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(Spectral Locus)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(Color Temperature)
一光源之辐射能量分布与某一绝对温度下之标准黑体(Black Body Radiator)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(Color Temperature),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(Planckian Locus)。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(Correlated Color Temperature; 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。

诠释LED照明产品生产五部曲

自从产生外界照明以来,我们把照明划分为三个时代:灯丝灯泡时代(白炽灯)、气体灯泡时代(萤光灯)、半导体发光时代(LED)。而其中,又以历史最长的白炽灯和未来主流的LED,为最重要的考察点。不论时代是如何的发展,照明产业的生产流程有着惊人的相似,不外乎中国一样是处于行业的下游。核心技术基本都是被欧美和日本等国家地区所有。

1. LED的发光原理,是电子穿过一层半导体材料时,激发该半导体材料将电能转化为光能。然而,单层半导体的发光能力很弱,所以要将很多层单层材料叠加起来,压成类似千层糕那样的复合材料,这就是“外延片”。

  所以,LED的发光效率决定于在同等厚度里,能压入多少层。单层材料越薄,能叠加的层数越多,发光效率就越高。现在一般每层厚度仅为2-20微米,这也决定了外延片生产是整个LED生产流程中最困难的部分。

2. 切割——LED核心:相当于从钨丝材料中抽出灯丝,不同的是,切割后的外延片是方块形。

由于外延片这种特殊结构,想要完整无损地切割出发光核心,非常困难。不仅需要真空环境,还要专业的切割机。目前世界上只有两个厂家生产这种切割机。

3. 将核心放入LED芯片:芯片之于LED,正如灯座之于灯泡,是供电部分。“芯片”是实现LED理想效果非常重要的装备,因为LED对电流的要求非常高。

4. 封装LED芯片成发光体:将LED芯片封装成为发光体,正如给灯丝灯座加上灯罩做成灯泡。灯罩形状可依据所需而不同,但封装技术决定了发光体的使用寿命。

5. 照明应用:就像运用白炽灯泡一样,根据不同功能和需要,装配成不同的LED产品。

对LED照明来说,前三步的外延片、切割和芯片是上游,第四步的封装是中游,第五步的应用则是下游。这些问题需要我们用更多的能量来突破。

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