由于其成本低,灵活性和效率,基于LED的照明和显示系统变得越来越受欢迎。因此,测量LED的光和颜色输出,随着它们的性能与传统技术进行比较和评估它们的性能更为重要。此外,必须理解和控制从设备到设备的固有性能变化。

精确光学设计需要高分辨率测量LED光和彩色输出。

在测量LED和基于LED的系统中,测量方法和系统的选择将是测量目标的函数,并且最有可能会适应LED的特定性质。测量目标跨度通知或评估基于LED或基于LED的系统设计,表征光源,评估验收测试或质量控制的来源,或修改和控制性能。

标准和建议是测量数量很大的重要指南,以及如何测量它们,特别是在表征LED时用于照明系统。对于传入或传出质量检验,一组指标数量很可能足够,简化所需的测量。在所有情况下,重要的是测量与人类对光和颜色的感知有关。

与其他光源相比,LED具有几个有趣的特性。首先,在包装中放置LED管芯可以显着影响光的方向。其次,当LED最初打开时,它们需要一些时间 - 或许时间 - 稳定。第三,它们是固有的窄带光源,因此白光的创建需要某种形式的颜色混合。第四,LED的输出将变化,非线性地,电流。最后,由于电子耗尽,LED随着时间的推移而变得较低,因此使用“年龄”,随着时间的推移,亮度亮起。测量LED时应考虑所有这些因素。

描述LED亮度和颜色

LED和光源的性能通常可以通过作为波长的函数的输出功率的角度分布来描述。输出功率的直接描述作为波长的函数被称为辐射仪。为了描述人眼所感知的亮度和颜色,根据人眼如何感知不同波长并集成以提供光度(如人眼所感知的亮度)或比色(感知颜色)描述的加权。

LED亮度:测量亮度作为发光强度,其是由每单位固体角度的给定方向上的光源发射的加权(根据人类感知)的功率。

用坎德拉(CD)为单位描述发光强度。相关数量是亮度,其是在特定方向发射的每单位区域的发光强度。亮度单位是每平方米的坎德拉(CD / M)2),通常被称为“Nit”。

LED颜色:在颜色空间方面描述了源,再次在特定方向上描述的颜色,其中最常见的是CIE 1931颜色空间。这里以XYZ坐标 - 或三刺激值,x,y和z定义颜色,其中Y坐标是源的亮度,并且从x,y和z导出色度参数。

描述源颜色的另外两个数量通常是有用的。首先,其相关色温(CCT),技术上是黑体散热器的色温,最接近源头。CCT在kelvin(k)中测量。在技​​术上,较高的CCT(> 5000°K)是“冷却器”(更加蓝色),降低CCT(<3000°K)是“暖”(更为黄色的)。其次,光源的颜色渲染指数(CRI)是与自然(理想)光照明相比照明物体的颜色外观精度的量度。CRI可以从光源的光谱测量结果得出。不幸的是,CRI作为描述性的数量是有问题的。它提供了指示性信息,但已知在某些情况下不准确;正在积极研究定义CRI的新方法。

为了完整描述LED系统,需要将这些辐射测量,光度法或比色量称为相对于源的角度的函数。

测量考虑因素

这产生了三种有趣的测量考虑因素。首先,为什么要衡量?其次,需要什么角粒度?第三,是作为点源或扩展源测量的源?

为什么要衡量的问题是不仅仅是一个哲学之一。如果正在进行测量以表征用于建模目的的源,则可以认为理论模型足够。通常,光源作为系统的潜在复杂性以及理论理解中的误差的可能性足以使测量优选,因为它是源的真实描述。当然,对于评估,检查或控制,具有特定于设备的实际数据是必要的,因为测量是点。

对于某些应用,从一个视角或单一集成测量的点测量就足够了。但是对于大多数应用,具有角度的亮度和颜色的变化是装置的重要属性,特别是对于给定芯片放置在包装中的制造变化的LED的LED - 略有变化可能导致分布的显着变化。有两种角度测量值:捕获和测量所有所需输出光的那些,并且在网格上采样角度数据的那些。在后一种情况下,可以基于预期的连续性和分布变化率来确定角度测量之间的间隔。

近乎和远场测量

对于某些应用(例如评估LED指示灯的亮度),可以将源视为点源。对于其他应用,例如表征光学设计的LED或LED照明器,应将源视为扩展源 - 意味着具有物理范围的一个具有物理范围,因此具有从源点的点输出的光输出的空间变化。在这种情况下,需要以产生更详细的分布的方式测量源。测量光作为点源的光产生远场测量。测量光源作为扩展源产生源的近场模型。

在应用中,近场模型被表示为光学设计目的作为光线集。光线集的质量和有用性将是该组中光线数量的函数以及如何基于源的近场测量来统计上采样光线。常见的统计采样方法范围从简单的蒙特卡罗采样到重视抽样。根据它们被发射的源点上的点的亮度而不是仅选择具有相等加权的起点的重要性的重量光线。

近场模型可以推断为远场模型,但反向不是真的。这是因为远场模型是具有折叠光源的近场模型的限制情况。用于光学设备的近端和远场区域之间的边界的拇指的规则是源的最大尺寸约为10倍。对于LED,这将是几厘米,但对于灯具来说,这可能是几十米。超越这一范围远场模型和近场模型将基本上给出相同的结果。

成像比色测量

源成像测量计。与两个独立的旋转轴,源成像测筒子在DUT(测试设备)和成像色度计之间保持精确定位。

要考虑的第四个测量问题是需要空间数据而不是单点或点测量。Spot Colorimeters或SpectrorAdiomers仅测量源或周围的位置 - “Spot”实际上集成在某个常规区域上。这可以提供一些有用的信息;测量源或在需要空间信息时显示器不是很有效。

成像比色仪 - 基于CIE匹配光敏和滤色器的基于CCD的相机 - 克服这些问题,在空间网格上提供了数百万同时的聚光表读数。典型的成像花色计由全帧或间隙CCD,光敏或比色滤光片组成,以及镜片。CCD的选择将取决于应用程序,在图像捕获中没有间隙并且需要更高的动态范围时,具有全帧CCD。可以冷却CCD并控制温度以降低噪声水平。仔细的电子设计和读出速度的调节也会降低系统噪音。光敏或比色滤光器优选地专门设计成允许系统匹配红色,绿色和蓝色的CIE颜色曲线。包括所包括透镜的整个系统通常是广泛校准的,以消除任何光学像差或CCD变化的效果。

LED屏幕性能测量。使用成像色度计允许同时测量数万个LED的光和颜色输出及其空间关系。应用软件允许他们复杂的关系被容易地分析。

虽然未应用于LED和基于LED的系统的所有测量方法需要使用成像比色计,但是通常可以通过使用一个来捕获多个阵列测量来更广泛或更快地进行这些测量。当测量扩展光源,LED阵列或LED显示器时,这尤其重要。在这些情况中的每一个中,空间关系是描述和理解系统所需的数据的关键组件。

仅测量光学信息的成像色度计被称为成像光度计。为了便于描述我们将参考成像比色计,但也可以使用成像光度计,具有明显的限制。

测量LED设备

测量LED模具或封装LED通常在研发中进行,以评估不同的设计选项或详尽表征LED性能。

使用源成像测量计

源成像测量计(图2)旨在非常精确地测量光源的近场亮度分布。虽然有许多物理配置可能,但是它们几乎所有都在光源周围移动成像色度计,并捕获从多个 - 通常数千个观察角度的源处的输出光分布。此信息可以存储为原始数据或随时转换为射线设置。数据表示被认为是近场模型。

描述源成像测筒子的物理精度的关键属性在称为“摆动”的参数中捕获 - 这是系统从其起源的最大偏移,因为系统移动到各种测量位置。为了测量LED管芯,其可以在约0.5mm横穿,这种摆动应不超过几十个微米(即,只有尺寸的尺寸的几十)。在测量封装的LED和任何其他光源时,类似的精度要求保持。

另一个关键属性是所用光学系统的质量。该系统应具有足够小的视野,以允许足够的CCD像素映射到光源的表面,以便在LED管芯或设备上看到任何相关的微量刻度细节。

源映像测电器近场模型是LED模具和器件的亮度和颜色输出的最全面表示,作为角度的函数。这些测量值,因为扫描由数千图像组成,通常需要几个小时才能完成单个源。通过在角度分辨率,成像光学器件或允许的误差上损害更快的测量时间是可能的,但对于LED管芯和器件表征,这是真的不可接受的。源成像测量计的最近进步包括同时采集光谱数据。

与整合领域

集成球体提供了一种测量LED的总体或集成光输出的方法。根据所使用的传感器,可以获得辐射测量,光谱,光度计或比色测量值。积分球通常不会捕获相对于任何这些数量的角度信息。通过将LED放入球体中,整合球体非常简单地操作,反射球体周围的光,并在球体上的端口处测量集成光。

集成球体测量具有非常快的优点,改变传感器的简单,以获得辐射测量,光谱或比色测量。这些测量可用于评估或箱LED。主要限制是没有获得角度信息,因此不会检测到具有未对准模具的LED封装(导致来自LED的光的偏斜方向输出)。

用光敏计

光敏计通过使用测芯计来测量LED的远场分布,以移动相对于LED器件的色度计(或光谱级数)。这具有允许使用多个测量设备来改变从扫描获得的信息的优点。光敏计的缺点是进行测量所需的时间长度和实现所需机械精度的复杂性。

结论

由于LED存在的宽度,具有可比辐射,光敏性和比色测量方法的可比宽度。这些方法平衡测量时间,分辨率,信息内容和物流,以解决研发,制造和现场应用的需求。

在测量LED中提出的最重要的问题是:需要近场或远场数据吗?需要角度数据吗?是否需要阵列测量?这些问题的答案将指示测量选项。在许多情况下,使用成像色度计是最佳的,因为它可以捕获大量同时,空间相关的测量。它还足够灵活,可与Gonio-unic系统或其他光学(例如,成像球)耦合,以快速测量光和颜色分布和高粒度。

As advances are being made in the design and application of LEDs, so, too, are advances being made in how imaging colorimeters can be used to measure them (e.g., by integrating spectral measurements) and improve their performance (e.g., through the correction of LED video displays).

本文是由Christina Fatho,Spentinoptics GmbH(Herrsching Germany)和Hubert Kostal,Ph.D.,销售和营销副总裁博士竞技公司,LLC(Redmond,WA)副总裁。有关更多信息,请联系Kostal博士此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或访问这里


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本文首先出现在2017年5月份美国宇航局金宝搏官网技术简报杂志。

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