日本四团体共同制定的《照明用白色LED测光方法通则》为目前1针对照明用白光发光二极管(LED)所制定的测量标准,本文将对其内容进行介绍及分析,以供读者及有关产、学、研部门参考。
白光LED标准出炉
随着LED研发技术的突飞猛进,已被许多人视为充满潜力的新世代主要照明光源,然而LED具有与传统照明光源截然不同的空间发光特性,使原本适用于传统光源光学特性测量的方式未必适用于LED,如光通量(Luminous Flux)、光强度(Luminous Intensity)及色度(Chromaticity)测量,否则LED的测量精度及准度都将成问题。因此,全球各大标准协会均修订或是新增LED测量标准,但由于LED封装种类繁多,性能也各不相同,所以也有协会针对不同用途的LED制定新的测量标准
以国际照明委员会(Commission InternationaLEDel Eclairage;CIE)为例,其在2007年大幅修订原有的LED测量技术文件CIE-127,但因诸多争议,仍有诸多测量问题待解决,而由美国能源 部(DOE)所主导,其配合固态照明产品的推广进程,由美国国家标准学会(ANSI)与北美照明学会(IESNA)所组成的标准制定小组,正在进行固态照明灯具 相关测试标准的制订,(本报上期B7版文章已经对此进行介绍),其中包括旋光性量测、色度量测以及寿命评估等标准,但这些标准的特点在于其内容是将固态照明灯具 视作一整体来评价,也就是说,LED单体无法由这些标准的规范来作测量。
我国近年来也致力于半导体发光器件标准的推动,在政府的支持下,已推出半导体发光器件测试方法,而其它相关标准也正在进行审议中。
然而在照明用白光LED标准的推动方面,进展最快的国家是日本,其中日本照明学会(JIES)、日本照明委员会(JCIE)、日本照明器具工业会(JIL)以及日本电球工业会(JEL)在2004年已订出四团体共同标准《照明用白色LED测光方法通则》,成为目前1针对照明用白光LED所订定的测量标准,其在初版时就已率先制订数项未曾规范过的项目,如标准LED之制造、小型模块光强度的测量法以及寿命评估方式等。
有鉴于LED的测量方式有所进展且标准的内容仍有扩充空间,四团体于2006年3月公布此标准的修订版,增加且修订原先的标准内容,在色度学的量测以及光通量的量测方式等作出更详细的规范。然基于谨慎的心态,有许多部分仍然是被放在附属部分而非实际标准的一部分,不过,其在相关规范的说明仍十分详细,就现阶段国际所能查到的LED标准文献,此标准可说是内容最完整的规范。在目前产业界仍然缺乏适当的通用LED测量规范情况下,该标准将会是一个非常重要的参考依据。下面重点介绍此标准的重要规定,以及修订版的增补部分。
适用范围限于照明用白光LED
该标准在一开始的标题上,就已宣告适用范围仅限于照明用白光LED,其认为将测量目标限定于照明用白光LED,以限定与标准LED比较的测量方法能有效提升测量精度,且对于标准LED的内容作出很详细的规定。在光强度的测量部分,则依照国际照明委员会所规定的标准条件进行测量;在光通量的测量部分,则一律使用积分球(Integrating Sphere)测量,并在修订版中增加色度、相关色温(Correlated Color Temperature;CCT)、显色性指数(Color Rendering Index;CRI)等的测量方法,且原则上使用积分球作为其入射光学系统。
本标准主要是针对单体LED制定的规范,但其对于小型的LED模块光强度的测量也纳入规范,对于小型LED模块而言,其不一定适用于CIE标准条件所规定的平均LED光强度的测量方法。
照明用白光LED定义明确
此标准与其它LED的相关标准最大的不同在对于“照明用白光LED”作出很明确的定义。根据本标准的解释,所谓的“照明用白光LED”其测量光通量或平均光强度的光色,须满足光谱(Spectrum)几乎涵盖可见光领域的全部范围,且其中不能有欠缺的部分;相关色温的范围在(2500～10000)K以内;以及相关色温在CIE1960均匀色度(Uniform Chromati city Scale;UCS)坐标上,与普朗克轨迹(Planckian Locus)的偏差量(Duv)须小于0.02这三项条件。
值得注意的是,在此定义中,RGB三色LED将被排除在照明用白光LED的范围之外,事实上,在本标准的附件的解释中,照明白光LED的定义是颇有争议的项目,在相关色温的规定上,由于此处针对的是一般照明,故一开始是以与日光灯同程度(相关色温为(2700～8000)K左右)为考虑,然其参考目前白光LED的实际发展技术,故将相关色温的范围设定成从(2500～10000)K的范围内。
光强度/光通量为两大量测方式
由于目前并无规范统一的LED封装形状、尺寸及配光特性,而是依各种目的产生不同的设计构造,故LED测量的难度较大。因此,对于标准LED应具备的结构、性能、再现性均须作出规定。
在此标准中,标准LED主要分为光强度测量及光通量测量两种(见表1),其依据测量特性的不同而有不同的设计概念。举例来说,光强度测量用的标准LED,由于在光强度测量方法中,待测LED机械轴(Mechanical Axis)对准测光器(Photo Detector)是很重要的一项校正因素,因此在该标准中采用机械轴容易对准的子弹型(Lamp)封装当作标准形式;至于光通量测量用标准LED,由于考虑到全光通量的测量规定,因此使用可防止朝LED后方发出光线,且光强度较为均匀的金属罐型(TO-Can)封装当作标准形式。值得注意的是,此处两种形式的标准LED,都是使用氮化铟镓(InGaN)系列的芯片配合钇铝石榴石(YAG)荧光粉所制成的白光LED,其对应在定义项中针对照明用白光LED所述之无欠缺波长的部分。
由于标准LED是测量时重要的参考依据,故此标准希望在尽量减少周边环境的影响下,将光学及电气 特性的不稳定性降至最低,以达到所期望之再现性的要求。本标准除了限制测量环境温度变动须小于2℃外,为减少LED的初期变动,建议最好使用已经过100小时以上恒流(如20毫安)驱动的标准LED,标准LED之环境温度须控制在25℃。在修订版内,其在附件4中增加温控插槽(Socket)(为具有芯片温度控制功能的点灯治具)说明,其要求在恒定电流的情况下,LED到达热平衡状态的时间(希望至少在5分钟以上)后进行点灯测量。