选择适用于LED 光源、灯具和显示器的测量系统

作者:SphereOptics GmbH 公司销售经理:Hristina Fatho, Radiant Vision Systems 公司销售和营销副总裁:Hubert Kostal 博士

引言

LED是一项神奇的技术。基于LED的照明和显示系统以其低成本、高灵活性和高效性而越来越受欢迎。因此,与传统技术相比并进行评价,测量LED和基于LED系统的光输出和颜色输出变得越来越重要。此外,也必须理解和控制各器件的固有性能变化。

测量目标包括评估LED或基于LED系统的设计、表征光源,为接受测试或质量控制或改进和控制性能评估光源。

LED测量标准和建议是确定哪些测量值是重要的并如何进行测量的重要指南,特别是表征照明系统中使用的LED。对于来料(IQC)或出货(OQC)质量检验,一组指标量可能就足够了,从而简化了所需的测量。在所有情况下,测量有关人对光强和颜色的感知是最重要的。

与其他光源相比,LED有几个有趣的特性。首先,LED芯片在封装中的贴装会显著影响光输出的方向。第二,当LED最初开启时,需要一段时间来稳定,也许是几分钟。第三,LED本质上是窄带光源,所以白光的产生需要某种形式的色彩混合。第四,LED的输出会随着电流而非线性变化。最后,由于电子损耗,LED会随着时间的推移变得越来越低效,因此在使用中“老化”,亮度逐渐下降。在测量LED时,所有这些因素都需要考虑。

描述LED亮度和颜色

一般来说,LED或者说光源的性能可以用其输出功率的角度分布来描述,输出功率是波长的函数。输出功率作为波长的函数的直接描述,被称为辐射度测量。为了描述人眼所感知的亮度和颜色,这种光谱功率分布是根据人眼如何感知不同波长的光来加权的,然后综合集成以提供光强(由人眼感知的亮度)或色度(感知颜色)描述。

LED亮度

发光强度用单位坎德拉(cd)来描述。亮度是指在特定的方向发射的单位面积的发光强度。亮度单位是每平方米坎德拉(cd/m2),通常称为“ nit(尼特)”,1 nit=1(cd/m2)。

LED颜色

光源的颜色(在一个特定的方向上)是用颜色空间来描述的;最常见的是CIE 1931颜色空间。在这里,颜色是用XYZ坐标来定义的,或三刺激值X、Y和Z,其中,Y坐标是光源的亮度,色度参数来自X、Y和Z。通常还有两个很有用的描述光源颜色的量。第一是相关色温(CCT),从技术上讲,是指与光源最接近的黑体辐射体的颜色温度。CCT以开尔文(K)为单位。CCT(> 5 000 K)越高,颜色“越冷”(更蓝),CCT(<3 000 K)越低,颜色 “越暖”(更黄)。第二是光源的显色指数(CRI),是指与自然光(理想光)相比,光源对物体显色的准确能力。CRI可以从光源的光谱测量中得到。不幸的是,CRI作为一个描述量是有问题的。它提供了指示性信息,在某些情况下被认为是不准确的。人们正在积极研究定义CRI的新方法。

 

对于LED、LED照明或显示系统的完整描述,这些辐射、光强或色度需要被描述为相对于光源的角度的函数。

测量考量

这就产生了三个有趣的测量考量:第一,为什么要测量?第二,需要什么样的步进角度?第三,把测量光源作为点光源还是扩展光源?为什么要测量这个问题从任何方面考虑都超出了哲学范畴。如果测量是为了表征光源用于建模,那么可以认为一个理论模型已经足够了。然而,由于光源系统的潜在复杂性和理论理解上的误差,一般还是将测量作为首选,因为它是对光源的真实表征。当然,对于评估、检验或控制,具体器件的真实数据是必须的,这就是测量的关键和意义。

对于某些应用,采用一个视角的一点测量或一个综合集成的测量方法就足够了。但是对于大多数应用,亮度和颜色随角度的变化是器件的一个重要属性,特别是对于LED,必须考虑在制造过程中在封装中贴装芯片的变化。角度的微小变化会导致分布的显著变化。有两种角度测量方法:捕获和测量所有想得到的输出光,以及在一个网格上取样角度数据。在后一种情况下,可以根据预期的连续性和分布变化率来确定角度测量之间的间隔。通常,我们可以对它进行充分的估计,以定义一个测量级数或方法来产生良好的数据。

近场和远场测量

对于某些应用(如评估LED指示灯的亮度),可以将光源视为点光源。对于其他应用,如表征LED或LED灯具用于光学设计,光源应被视为扩展光源,即具有物理范围的光源,并且光源上各点的光输出具有空间变化。在这种情况下,光源需要以一种产生更详细分布的方式来测量。以点光源方式测量光源产生远场测量。以扩展光源方式测量光源产生光源的近场模型。

在应用中,为了光学设计目的,近场模型是以光线集的形式表示的。光线集的质量和有效性将与集合中光线的数量和基于光源近场测量光线统计取样的方法有关。常用的统计取样方法从简单的蒙特卡洛取样到重要性取样都有。重要性取样权重是根据光源上发光点的亮度,而不是等权重地选择起始点。

近场模型可以外推到远场模型,但反之则不然。这是因为远场模型是近场模型在光源收缩后的一个极限情况。从经验上看,光学器件的近场和远场之间的分界线,通常是大约光源最大尺寸的10倍。因此,对于LED,这将只是几厘米,但对于一个灯具,这可能是几十米。在此范围之外,远场模型和近场模型将给出基本相同的结果。

成像色度学在LED中的应用

第四个测量问题需要研究空间数据,与单点或斑点测量截然不同。斑点色度计或光谱仪测量只在光源上或周围测量一个点, “斑点”实际上是集成在一些常规区域之上。这会提供一些有用的信息,但对于测量光源或显示器需要空间信息时,则不太有效。

成像色度计(校准的基于CCD的相机,有CIE匹配的视觉和颜色滤镜)可以解决这些问题,在一个空间网格上提供相当于数百万个同步的Spotmeter读数。一个典型的成像色度计由一个全帧或隔行CCD、视觉和颜色滤镜、镜头组成。CCD的选用取决于具体应用,当需要无间隙地捕捉图像时和当需要更高的动态范围时,使用全帧CCD是首选。可以对CCD进行冷却和温度控制,以降低噪声水平。仔细的电子设计和调节读出速度也会降低系统噪声。最好是专门设计的视觉和颜色滤镜,使系统匹配红色、绿色和蓝色的CIE彩色曲线。包括镜头在内的整个系统通常需要全面校准,以消除任何光学像差或CCD变化的影响。

不是所有应用于LED和基于LED系统的测量方法都需要使用成像色度计,通过使用一个同时捕捉多个阵列的测量方法,往往会使这些测量更全面或更快速。在测量扩展光源、LED阵列或LED显示器时,这一点尤为重要。在每种情况下,空间关系是描述和理解系统所需数据的一个重要组成部分。

仅测量视觉信息的成像色度计叫做成像光度计。为了方便描述各种测量方法,我们将会涉及成像色度计,但是具有明显的局限性时,也会使用成像光度计。

测量LED器件

通常在研发阶段进行LED芯片或封装的LED测量,以评估不同的设计方案,或者详尽地表征LED的性能。

使用光源成像测角仪

虽然可能有很多物理配置,但它们几乎都在光源周围移动成像色度计,从多个视角(通常数千个)捕捉光源的输出光分布。这些信息可以作为原始数据存储或在飞行中转换成光线集。两者之中任何一种数据表示都被认为是近场模型。

系统向各测量位置移动时,系统焦点从其原点开始的最大偏移,是描述光源成像测角仪的物理精度的关键属性,可在一个称为“摆动”的参数中捕获。测量跨越大约0.5 mmLED芯片时,这一摆动应该不超过几十微米(即,只有芯片尺寸的百分之几)。测量封装的LED和其他光源时,也保持类似的准确性……..

需要阅读更多内容,请点击“环球 SMT与封装

上一篇:IGBT 封装结构与可靠性

下一篇:元件小型化推动组装过程中微点涂技术改进