jin機(jī)器視覺光源LED測試要點(diǎn)及方法

 　　機(jī)器視覺光源是未來機(jī)器視覺輔助照明的主要器件，深圳市奮華自動(dòng)化科技有限公司研發(fā)的視覺光源采用的是進(jìn)口LED作為視覺光源的發(fā)光體；作為LED是機(jī)器視覺光源的主要組成部分，LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開光色測量技術(shù)。文章從LED照明的發(fā)展要求出發(fā)，對(duì)LED照明的光色測量進(jìn)行了介紹。

　　1、發(fā)光二極管（LED）作為新興的發(fā)光體，具有電光效率高、體積小、壽命長、電壓低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是新一代照明的首選器件。LED的發(fā)展受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。近年來，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光效不斷增加，亮度不斷提高。如今，LED已經(jīng)在眾多場合得到大量應(yīng)用，尤其是白光LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，使其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸普及。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如圖1所示。

　　2、LED的工作原理：發(fā)光二極管（LED）是一種能把電能轉(zhuǎn)化為光能的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由ＰN結(jié)芯片、電極和光學(xué)等系統(tǒng)組成。LED的基本工作原理是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換的過程，當(dāng)一個(gè)正向偏壓施加于ＰN結(jié)兩端，由于ＰN結(jié)勢壘的降低，Ｐ區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子也向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)在兩個(gè)區(qū)域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子相對(duì)不穩(wěn)定，對(duì)于ＰN結(jié)系統(tǒng)，注入到價(jià)帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，電子和空穴的能量差越大，產(chǎn)生的光子能量就越高。能量級(jí)差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長就不同，相應(yīng)的光的顏色就會(huì)不同。LED工作原理如圖2所示。

　　3、LED的光參數(shù)

　　3.1 光通量：光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，即輻射功率（或輻射通量）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。光通量的符號(hào)為Φ，單位為流明（LM）。根據(jù)光譜輻射通量Φ（λ），由下式可確定光通量：Φ=Km■Φ（λ）gV（λ）dλ

式中，Ｖ（λ）—相對(duì)光譜光視效率；Km—輻射的光譜光視效能的最大值，單位為LM/W。1977年由國際計(jì)量委員會(huì)確定Km值為683Lm/W（λM＝555NM）.

　　3.2 光強(qiáng)度：光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度I是該光源在該方向的立體角元內(nèi)傳輸?shù)墓馔浚洇党栽摿Ⅲw角元ｄΩ之商，即：

I=■發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（Cｄ），1Cｄ＝1LM/1ｓｒ?？臻g各個(gè)方向的光強(qiáng)之和就是光通量。

　　3.3 光亮度：光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度L，是該面元ｄＳ在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積之商，即：L=■單位為坎德拉每平方米（Cｄ/M2）。當(dāng)發(fā)光表面與測量方向垂直時(shí)，則Cｏｓθ＝1。

　　3.4 光照度：表面上一點(diǎn)的照度E是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量ｄΦ除以該面元面積ｄＳ之商。即：E=■單位為勒克斯（Lｘ），1Lｘ＝1LM/M2。

　　3.5 其他參數(shù)：LED的光參數(shù)還包括：光譜、色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等。

　　4 LED光色測量的必要性

　　4.1 避免危害：LED與傳統(tǒng)的照明燈不同，它具有點(diǎn)光源、高亮度、窄光束輸出等特點(diǎn)。當(dāng)LED應(yīng)用于照明器具時(shí)，如果對(duì)出光角不加以嚴(yán)格的控制就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光，某些高亮度LED產(chǎn)品甚至?xí)?duì)人體造成光輻射危害。光色測量可為LED的安全使用提供指導(dǎo)。

　　4.2 促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：LED的光色測量能提供大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作為判定LED產(chǎn)品合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，并可為改進(jìn)LED的設(shè)計(jì)、制造提供依據(jù)。

　　5 LED的光色測量方法

　　5.1 光通量的測量

　　5.1.1 積分法：測得LED在各個(gè)方向的光強(qiáng)，然后對(duì)這些光強(qiáng)值進(jìn)行計(jì)算，從而得到LED的總光通量。

　　5.1.2 積分球法：積分球又稱為光通球，是一個(gè)中空的完整球殼。內(nèi)壁涂白色漫反射層，且球內(nèi)壁各點(diǎn)漫射均勻。光源在球壁上任意一點(diǎn)上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可知，球面上任意一點(diǎn)的光照度為與光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈進(jìn)行比較得到被測燈的光通量。但是由于標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈的物理結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)的不同（如吸收），在利用積分球法測試光通量時(shí)需要對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行修正，可采用輔助燈的方法。

　　5.1.3 2π立體角光通量的測試：利用積分球法測試LED光通量時(shí)還有一種測試結(jié)構(gòu).稱為前射光通量的測試或2π立體角光通量。該測試并不是測試LED的總光通量，但人們常常將其與測試LED的總光通量相混淆。

　　5.2 光強(qiáng)度測量：對(duì)于LED光強(qiáng)的測試，CIE－127規(guī)定了兩種測試條件，如圖6和表所示。

　　5.3 光亮度：LED亮度的測試通常應(yīng)用在測試LED芯片的亮度和評(píng)價(jià)LED光輻射安全性的過程中。測試一般采用成像法，對(duì)于芯片的測試可以采用顯微成像進(jìn)行測量，如圖7所示。

　　5.4 光照度測量：嚴(yán)格地說，光照度實(shí)際上并不能算是LED的光學(xué)參數(shù)，照度是表示被照射表面受照程度的光學(xué)量，而且測試單個(gè)LED對(duì)某點(diǎn)或某面的照度沒有太大意義，因?yàn)橐话闱闆r下對(duì)實(shí)際場合的照明都是由多個(gè)LED共同完成的。

　　5.5 其他參數(shù)的測量：其他如色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等參數(shù)的測試，可以利用相關(guān)色度計(jì)或者采用光譜儀進(jìn)行。

　　6 LED的光輻射安全性測試與評(píng)價(jià)：近年來，LED的光輻射安全受到越來越多的關(guān)注，因此本文也對(duì)此作一簡單介紹。浙江大學(xué)三色儀器有限公司在國內(nèi)首先開展了光輻射安全測試的研究，并與國家電光源檢測中心共同起草了非相干光源的光生物安全性國家標(biāo)準(zhǔn)。目前，浙大三色在LED的光輻射安全測試方面又取得新的進(jìn)展，為ＰｈILIｐｓ公司進(jìn)行了照明LED測試工作，研究完成了具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LED輻射安全檢測系統(tǒng)。下面以我們做的測試實(shí)例介紹LED光輻射安全性測試與評(píng)價(jià)的過程。

　　6.1 被測白光LED　

　　6.1.1 LED工作條件：燈管電流0．417A，電壓12Ｖ直流，功率5W。

　　6.2 表觀光源的測試：我們利用表觀光源測試系統(tǒng)對(duì)白光LED進(jìn)行了測試，這9幅圖是在0°（正對(duì)）和90°方向上間隔10°拍攝得到的表觀光源像。理論上我們應(yīng)該按各個(gè)方向進(jìn)行光安全的測試評(píng)價(jià)，但是為簡單起見，本文只對(duì)0°方向的情況進(jìn)行測試評(píng)價(jià)（因?yàn)樵摲较蚬廨敵鲎顝?qiáng)），其他角度可以此類推。0°方向表觀光源大小為直徑2．5CM的圓斑。

　　6.3 測試條件1：按照IEC－60825要求，首先按測試條件1進(jìn)行測試。白光LED出孔距光接收口2M，光接收口直徑50MM。

　　測試結(jié)果分析：1類AEL計(jì)算400～600NM的光化學(xué)危害：未超過規(guī)定AEL400～700NM的熱危害：未超過規(guī)定AEL700～1400NM的AEL：未超過規(guī)定AEL結(jié)論：該白光LED在測試條件1下測得的光輻射輸出未超過1類激光產(chǎn)品的AEL規(guī)定。

　　6.4 測試條件2　白光LED光出射孔距光接收口100M，光接收口直徑為7MM。測試結(jié)果分析：（1）1類AEL計(jì)算

400～600NM的光化學(xué)危害AEL：超過規(guī)定AEL結(jié)論：該白光LED超過1類激光產(chǎn)品光化學(xué)危害AEL規(guī)定，不屬于1類產(chǎn)品。（2）2類AEL的計(jì)算400～700NM的AEL：未超過規(guī)定AEL700～1400NM的AEL：未超過規(guī)定AEL結(jié)論：該白光LED在測試條件2下測試未超過2類激光產(chǎn)品AEL規(guī)定。

　　6.5 輻照度或輻亮度測試條件：上述測試過程中測試條件2和輻照度或輻亮度測試條件的測試結(jié)構(gòu)相同，而1M類AEL參照1類AEL的規(guī)定，因此由以上分析可知，該白光LED光輻射輸出超過了1M類的AEL。

　　6.6 結(jié)論：綜合以上分析可知，被測白光LED產(chǎn)品屬于2類LED產(chǎn)品，長時(shí)間直視該LED會(huì)傷害人眼的視網(wǎng)膜。但是一般情況下，由于人眼有眨眼等自然回避反應(yīng)，因此不會(huì)對(duì)人眼造成傷害。通過以上介紹可知：LED光輻射安全性的測試與評(píng)價(jià)是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，涉及許多方面的內(nèi)容。但是LED光輻射安全性的測試與評(píng)價(jià)已經(jīng)逐漸成為LED產(chǎn)品測試中必不可少的內(nèi)容，例如，目前所有銷往歐洲的LED產(chǎn)品都必須按照EN－60825（等同于IEC－60825）標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)。因此，我們應(yīng)該加大這一領(lǐng)域的研究投入。

　　7、LED光色測量與照明評(píng)價(jià)：LED照明的最終目的是取得最佳的照明效果，而判斷照明效果的好壞取決于LED的光色測量。

　　7.1 對(duì)現(xiàn)在照明的評(píng)價(jià)：現(xiàn)行的照明評(píng)價(jià)主要是根據(jù)幾個(gè)主要光學(xué)基本量：光通量、光亮度、光強(qiáng)度和光照度等，其中前三個(gè)基本量主要用于光源的評(píng)價(jià)，光照度則是對(duì)光源光輻射作用面的評(píng)價(jià)。這些光學(xué)基本量是根據(jù)人眼的生物物理特性得到的，也是一個(gè)國際照明委員會(huì)（CIE）認(rèn)可的光譜光視效率函數(shù)Ｖ（λ）與對(duì)應(yīng)的輻射度量加權(quán)積分的結(jié)果，滿足以下關(guān)系：

光度量（λ）=Km gV（λ）輻射度量（λ）式中，KM—683LM/W.

　　7.2 存在的問題與不足：人眼的生物物理機(jī)理非常復(fù)雜，不同情況下對(duì)光刺激的響應(yīng)也不同，大體上可以分為明視覺、暗視覺和中間視覺，其中中間視覺尤其復(fù)雜，因此上述的光譜光視效率并不能確切地表示照明的實(shí)際效果。如圖10所示，同一個(gè)光源在明視覺和暗視覺下對(duì)人眼造成的刺激值明顯不同。另外，國內(nèi)現(xiàn)行的照明評(píng)價(jià)缺乏對(duì)光生物安全性的考慮，這可能會(huì)對(duì)人體造成不同程度的危害。

　　7.3 解決方法

　　7.3.1 測試方法與儀器：采用全光譜法測得LED的光譜分布，再利用光譜儀進(jìn)行分光測試。

　　7.3.2 評(píng)價(jià)方法

　?。?/span>1）照明效果：根據(jù)不同視覺條件采用不同的光譜光視效率函數(shù)加權(quán)LED光譜分布數(shù)據(jù)，得到被測光源光輻射在對(duì)應(yīng)視覺條件下的實(shí)際照明效果。例如，暗視覺時(shí)采用暗視覺光譜光視效率函數(shù)，明視覺時(shí)采用明視覺光譜光視效率函數(shù)，中間視覺采用中間視覺光譜光視效率函數(shù)。

　?。?/span>2）光生物安全性：根據(jù)危害種類，采用對(duì)應(yīng)的效果函數(shù)加權(quán)LED光譜分布數(shù)據(jù)得到實(shí)際危害效果。

總之，LED照明評(píng)價(jià)應(yīng)該符合人體實(shí)際的生物物理需求。

　　8 總結(jié)與展望

　　（1）LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開LED的光色測量技術(shù)，為了適應(yīng)LED的照明應(yīng)用，未來的光色測量技術(shù)應(yīng)該有新的突破。

　?。?/span>2）LED照明與光色測量應(yīng)該以人為本，一切以適應(yīng)人類的實(shí)際要求為導(dǎo)向。

　?。?/span>3）當(dāng)前任務(wù)： ①加強(qiáng)與人體相關(guān)的生物學(xué)基礎(chǔ)理論的研究，促進(jìn)學(xué)科的交叉合作；②與國際接軌，加快規(guī)范性文件的制定與實(shí)施，努力并積極地參與CIE、IEC等國際知名組織的活動(dòng)；③加大科研投入，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光色測量儀器； ④加強(qiáng)各類測試技術(shù)的研究，培養(yǎng)專業(yè)的測試人員，加快提高質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的裝備水平和檢測能力。