日本白光LED測量標准 

    日本四團體共同制定的《照明用白色LED測光方法通則》為目前唯一針對照明用白光發光二極管(LED)所制定的測量標准,本文將對其內容進行介紹及分析,以供讀者及有關產、學、研部門參考。

  白光LED標准出爐隨著LED研發技術的突飛猛進,已被許多人視為充滿潛力的新世代主要照明光源,然而LED具有與傳統照明光源截然不同的空間發光特性,使原本適用於傳統光源光學特性測量的方式未必適用於LED,如光通量(Luminous Flux)、光強度(Luminous Intensity)及色度(Chromaticity)測量,否則LED的測量精度及准度都將成問題。因此,全球各大標准協會均修訂或是新增LED測量標准,但由於LED封裝種類繁多,性能也各不相同,所以也有協會針對不同用途的LED制定新的測量標准以國際照明委員會(Commission Internationale de l''Eclairage;CIE)為例,其在2007年大幅修訂原有的LED測量技術文件CIE-127,但因諸多爭議,仍有諸多測量問題待解決,而由美國能源部(DOE)所主導,其配合固態照明產品的推廣進程,由美國國家標准學會(ANSI)與北美照明學會(IESNA)所組成的標准制定小組,正在進行固態照明燈具相關測試標准的制訂,其中包括旋光性量測、色度量測以及壽命評估等標准,但這些標准的特點在於其內容是將固態照明燈具視作一整體來評價,也就是說,LED單體無法由這些標准的規範來作測量。

  我國近年來也致力於半導體發光器件標准的推動,在政府的支持下,已推出半導體發光器件測試方法,而其它相關標准也正在進行審議中。

  然而在照明用白光LED標准的推動方面,進展最快的國家是日本,其中日本照明學會(JIES)、日本照明委員會(JCIE)、日本照明器具工業會(JIL)以及日本電球工業會(JEL)在2004年已訂出四團體共同標准《照明用白色LED測光方法通則》,成為目前唯一針對照明用白光LED所訂定的測量標准,其在初版時就已率先制訂數項未曾規範過的項目,如標准LED之制造、小型模塊光強度的測量法以及壽命評估方式等。

  有鑒於LED的測量方式有所進展且標准的內容仍有擴充空間,四團體於2006年3月公布此標准的修訂版,增加且修訂原先的標准內容,在色度學的量測以及光通量的量測方式等作出更詳細的規範。然基於謹慎的心態,有許多部分仍然是被放在附屬部分而非實際標准的一部分,不過,其在相關規範的說明仍十分詳細,就現階段國際所能查到的LED標准文獻,此標准可說是內容最完整的規範。在目前產業界仍然缺乏適當的通用LED測量規範情況下,該標准將會是一個非常重要的參考依據。下面重點介紹此標准的重要規定,以及修訂版的增補部分。

  適用範圍限於照明用白光LED該標准在一開始的標題上,就已宣告適用範圍僅限於照明用白光LED,其認為將測量目標限定於照明用白光LED,以限定與標准LED比較的測量方法能有效提升測量精度,且對於標准LED的內容作出很詳細的規定。在光強度的測量部分,則依照國際照明委員會所規定的標准條件進行測量;在光通量的測量部分,則一律使用積分球(Integrating Sphere)測量,並在修訂版中增加色度、相關色溫(Correlated Color Temperature;CCT)、顯色性指數(Color Rendering Index;CRI)等的測量方法,且原則上使用積分球作為其入射光學系統。

  本標准主要是針對單體LED制定的規範,但其對於小型的LED模塊光強度的測量也納入規範,對於小型LED模塊而言,其不一定適用於CIE標准條件所規定的平均LED光強度的測量方法。

  照明用白光LED定義明確此標准與其它LED的相關標准最大的不同在對於“照明用白光LED”作出很明確的定義。根據本標准的解釋,所謂的“照明用白光LED”其測量光通量或平均光強度的光色,須滿足光譜(Spectrum)幾乎涵蓋可見光領域的全部範圍,且其中不能有欠缺的部分;相關色溫的範圍在(2500~10000)K以內;以及相關色溫在CIE 1960均勻色度(Uniform Chromaticity Scale;UCS)坐標上,與普朗克軌跡(Planckian Locus)的偏差量(Duv)須小於0.02這三項條件。

  值得注意的是,在此定義中,RGB三色LED將被排除在照明用白光LED的範圍之外,事實上,在本標准的附件的解釋中,照明白光LED的定義是頗有爭議的項目,在相關色溫的規定上,由於此處針對的是一般照明,故一開始是以與日光燈同程度(相關色溫為(2700~8000)K左右)為考慮,然其參考目前白光LED的實際發展技術,故將相關色溫的範圍設定成從(2500~10000)K的範圍內。

  光強度/光通量為兩大量測方式由於目前並無規範統一的LED封裝形狀、尺寸及配光特性,而是依各種目的產生不同的設計構造,故LED測量的難度較大。因此,對於標准LED應具備的結構、性能、再現性均須作出規定。

  在此標准中,標准LED主要分為光強度測量及光通量測量兩種(見表1),其依據測量特性的不同而有不同的設計概念。舉例來說,光強度測量用的標准LED,由於在光強度測量方法中,待測LED機械軸(Mechanical Axis)對准測光器(Photo Detector)是很重要的一項校正因素,因此在該標准中采用機械軸容易對准的子彈型(Lamp)封裝當作標准形式;至於光通量測量用標准LED,由於考慮到全光通量的測量規定,因此使用可防止朝LED後方發出光線,且光強度較為均勻的金屬罐型(TO-Can)封裝當作標准形式。值得注意的是,此處兩種形式的標准LED,都是使用氮化銦鎵(InGaN)系列的芯片配合釔鋁石榴石(YAG)熒光粉所制成的白光LED,其對應在定義項中針對照明用白光LED所述之無欠缺波長的部分。

  由於標准LED是測量時重要的參考依據,故此標准希望在盡量減少周邊環境的影響下,將光學及電氣特性的不穩定性降至最低,以達到所期望之再現性的要求。本標准除了限制測量環境溫度變動須小於2℃外,為減少LED的初期變動,建議最好使用已經過100小時以上甯y(如20毫安)驅動的標准LED,標准LED之環境溫度須控制在25℃。在修訂版內,其在附件4中增加溫控插槽(Socket)(為具有芯片溫度控制功能的點燈治具)說明,其要求在琠w電流的情況下,LED到達熱平衡狀態的時間(希望至少在5分鐘以上)後進行點燈測量。

 

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