LED關鍵參數及其檢測技術

俞安琪，居家奇，許建興，莊曉波，陳大華

(1.復旦大學電光源研究所，上海 200433；2.上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 201114；3.上海應用技術大學理學院，上海 201418；4.廈門立達信照明有限公司，福建 廈門 350000)

引言

理解和應用LED檢測技術，不僅僅是LED照明專業檢測人員的工作，事實上LED產品的設計、策劃及檢測所依據的都是標準，因此產品的策劃、設計及檢測相關人員都必須認真研讀和理解標準，而檢測過程則是對標準的理解與應用，它是防止設計輸入階段缺失的關鍵環節。設計輸入的不全面，會造成設計研發的返工、模具的報廢等問題的出現。LED產品及特性的最新研究成果對照明產品生產廠商和照明設計師而言具有重要的參考價值，對LED照明產品檢測工作具有重要的借鑒意義。

1 LED的熱特性

相對于傳統光源，LED的發光效率明顯提高，但其光電轉換效率還沒有達到極限，相當一部分電能轉化為熱量，這部分熱量使得芯片的結溫升高，直接影響LED的發光效率和使用壽命[1]。因此，結溫是評估LED照明產品的重要參數之一。需要特別注意LED的熱特性。溫度直接影響LED的色漂移、光效、壽命等參數。

同一LED模組在相同的驅動電流、不同結溫條件下，當LED的結溫上升時，它的端電壓會下降，如果驅動電路只具有穩壓功能，當結溫上升較多時，LED的功率將大幅上升，如果散熱不佳將造成惡性循環，最終使LED模組受損。當LED的結溫上升時，它藍峰的幅值下降，并引發被激發的其他光譜幅值下降，導致發光效率的下降。當LED的結溫上升時，其藍峰還會發生紅移，這也是LED燈點亮預熱時光譜會發生漂移的原因。當結溫上升受控時，光譜漂移能在規定的范圍內；而當結溫上升過多時，光譜漂移將會超出標準規定。

過高的溫度會導致熒光粉-硅膠涂層的變劣和失效，其原因如下：在LED模組工作時，隨著結溫的升高，其覆蓋的涂層溫度會升高，而且輸出光發生色參數的漂移，只要涂層溫度沒有超過涂層耐溫的限值，待模組不工作恢復常溫時，色坐標仍會回復到原來的位置，如圖1(a)所示，該色漂移是可逆的；當模組的工作溫度超過涂層耐溫的限值時，涂層會發生變性，并產生非可逆性色漂移，即當模組不工作回到常溫時，色坐標回復不到原來的位置，如圖1(b)所示，該涂層性能已經發生不可逆轉的劣變。每種涂層耐溫不同所以產生的非可逆性色漂移的溫度也是不同的，而且LED涂層耐溫只是眾多指標中的一個，所以僅僅是涂層耐溫高的LED模組，其質量未必就好，還要兼顧其他指標。為此，LED照明已經由單純追求高光效向全面提高光品質的方向發展。LED照明器具要實現良好的色參數及持久的光維持指標，那就必須保證在聲稱的最高的特征點溫度ta和最高的環境溫度tq條件下及其他條件處于規定區域的上限時，其內部LED模組及對溫度敏感的電解電容等部件的特定點溫度tc在合理的范圍內。而在產品研發過程中，這些溫度數值的標定應基于模組的涂層不產生非可逆性色漂移，且基于這些指標的函數關系而得出的限值。

圖1 LED可逆性色漂移和非可逆性色漂移

優質LED照明產品的結溫控制，必須保證其涂層工作在產生非可逆性色漂移的溫度之下，并留有足夠的余量。只有控制結溫，才能控制模組的涂層溫度。結溫、ta和tq及器件敏感溫度點tc這幾個溫度彼此關聯，并有一定的函數關系。新修訂的IES LM-80中已經規定高功率LED的電氣和光度測量方法。我們應充分應用可重復性的測量方法，這在控制LED模組結溫條件下，測量LED模組的電氣和光度的數值。

熒光粉-硅膠涂層的溫度往往會比LED模組的結溫要高，我們曾做過如下的試驗：在直徑約為10 mm的COB封裝的功率型LED模組出光面上，用油性記號筆點了一個直徑約為0.8 mm的黑點，保持其他工作條件不變，當點亮該LED模組僅幾十秒鐘，該黑點及周邊熒光粉硅膠層就發生鼓泡現象，這是由于該黑點阻礙了光輻射能量的輸出，造成被遮擋點的熒光粉硅膠層產生很高的溫度，因此在LED的出光面上，絕對不可以用各類傳感器來測量各參數。目前最可靠及有效的方法是，測量結溫應盡可能地利用LED正向電壓降與結溫的關系所標定的曲線，并且通過精確測量LED的動態電壓來計算出結溫；而測量熒光粉硅膠層溫度則應該采用瞄點(非接觸)式紅外測溫儀。不同熒光粉涂敷方式造成的溫度變化見表1，當采用熒光粉離心(沉淀)工藝時，熒光粉層對光輻射的阻礙作用不明顯，熒光粉層的溫度也小于結溫，而當采用非離心涂覆工藝時，由于熒光粉層對光輻射的阻礙作用的明顯，因此造成熒光粉層的溫度也高于結溫，嚴重時甚至會高出結溫20 ℃以上。其中，tj采用LED正向電壓降與結溫的關系標定該曲線并測量得到；出光面溫度采用瞄點式紅外測溫儀測得，工作條件為800 mA，tc=70 ℃。

表1 不同熒光粉涂敷方式造成的溫度變化

2 高顯色指數LED

從圖2可以看出，白熾燈的輻射光譜雖然齊全，但是光效太低，且短波長的紫藍光的比例太低；三基色熒光燈雖然Ra較高，但其無法在水晶燈等場合應用；圖2(b)是高顯色LED的光譜，兼具高光效和接近太陽光譜的優點[2]。

近年來LED在光譜改良方面有了新進展，如圖3所示，單藍光激發的LED的光譜與自然光相比，其缺陷是R12(紫藍光)成分明顯不足，這通常是很難被察覺的，但是在對顏色要求特別高的畫院、印刷廠等場合，專業人員依然能發現紫藍光成分的不足。

圖2 LED與太陽、白熾燈和熒光燈的光譜對比

圖3 單藍光激發與雙藍光激發光譜對比

圖3(c)是采用400 nm和450 nm雙光譜激發的LED模組，它明顯彌補了紫藍光段光譜的缺少；從圖3(d)可以看出，其光譜接近自然光。除了光效及光譜優勢外，LED優良的調控性更是其他人造光源無法比擬的。

IES TM-30-18評估光源顯色性的方法中增加了Rf(顏色保真指數)和Rg(色域指數)2個顯色性評價指標。Rf是對于規定的99種試驗色樣的特殊顏色保真指數Rf,cesi的平均值，而Rg是表征被照物體照射下顏色飽和度的參數，由99種試驗色樣分別在被測照明體和參照照明體條件下構建的色域多邊形面積比計算得到[3]。

3 LED視網膜藍光危害

視網膜藍光視覺危害的分級見表2，照明光源基本只產生RG0、RG1和 RG2這3個視網膜藍光危害的等級，類似電焊光的能量才能產生RG3視覺危害的等級。視網膜藍光視覺危害是由直接照射到眼睛的過強輻亮度造成，并且與光成像面積有關，表2第2列規定了輻亮度限值，并規定了輻射進入眼睛的弧度。造成視網膜藍光危害是需要時間(能量)積累的，表2第3列規定了在不同的輻亮度時人眼睛耐受輻照時間范圍，即輻亮度越高，人眼睛耐受輻照時間越短。

表2 視網膜藍光危害等級、輻亮度范圍和耐受輻照時間

圖4(a)的藍光LED輻亮度達到RG2級，眼睛對它注視數秒就會受到傷害。但是在加上擴散罩后，如圖4(b)所示，其藍光輻亮度下降了3個多數量級，即發光面積擴大了1 000多倍，所以就變成RG0級，眼睛注視時間>10 000 s都不會受傷害。

圖4 LED模組的藍光危害

這種現象與操作圖釘的工作原理相似，當相同的力作用在圖釘平面上，因為平面端壓強小，手指不會受到傷害，而圖釘的尖頭因為壓強大，就能壓入到木板中，如圖4(c)所示。在LED燈具產品監督抽查中發現，很多燈具前的透明擴散板可以方便地拆卸，拆卸后燈具的藍光輻亮度一般比拆卸前高一個危險等級，嚴重時甚至提高2個危險等級。因此，當燈具含有根據IEC/TR62778分類為具有Ethr條件的光源時仍需要注意以下問題：如果燈具設計成可拆卸、可維護的結構，需要按照GB7000.1標準的要求，在顯著處標注“不要注視亮著的光源”的警示符號，并在說明書中說明“此燈具內的光源應由制造商或其服務代理商或有類似資格的人來更換”；如果設計為不可拆卸、不可維護的結構，應設計成在不破壞燈具或其部件時不能拆卸透光罩，并在說明書中說明“此燈具的光源是不可替換的；當光源到其壽終時，應替換整個燈具”。

4 富藍化LED照明對晝夜節律的影響

目前對藍光危害認識的最大誤區是把兩種完全不同機理的藍光危害與富藍化照明光對晝夜節律的影響相互混淆。甚至認為手機、電腦和電視機的藍屏都會產生藍光危害，于是防藍光擋屏和防藍光眼鏡就開始熱銷，這是典型的錯誤認識。手機、電腦和電視機的藍屏根本達不到產生藍光危害的輻亮度，但會對人的晝夜節律產生影響。

如圖5所示，現代醫學研究表明，光進入人眼睛后，其中一路作用是產生視覺體驗和視覺反射；另一路作用是影響生物節律、神經內分泌及神經行為調節，如圖6所示[4]。

圖5 光進入眼睛后對人的影響示意圖

激素皮質醇(壓力激素)和褪黑素(睡眠激素)在控制人體的活躍度和睡眠方面起著重要的作用。其中皮質醇可增加血液中的糖分并為人體提供能量，同時增強人體的免疫系統；而褪黑素水平低時人的警覺性和工作效率相應地高，褪黑素水平高時，人相對容易進入睡眠狀態。

藍光并不是LED燈才有，太陽光及金鹵燈和熒光燈也都含有藍光，熒光燈還輻射比藍光能量更強的253.7 nm紫外線，但只要處理得當，它們仍可長期安全使用。要正確區分藍光危害和富藍化照明影響人的晝夜節律這兩種情況，藍光危害是指藍光輻亮度達到標準規定的RG2類或者RG3類(如電焊光)時，且不加保護才會在較短時間或瞬間對人眼造成傷害，所依據的標準是GB/T 20145—2006/IEC62471和IEC 62778。而當照明沒達到藍光危害級別時，它只會因為輻照時間及劑量影響人的生理節律。

藍光是白光的重要組成光譜，人是不能離開藍光的。例如冬季缺乏陽光的地區季節性憂郁癥的發病率明顯較高，醫生通常用含藍光較豐富的高色溫的照明來改善或治愈這類憂郁癥。另外，藍光還是治療新生兒黃疸常用且有效的方案。研究表明，高色溫的照明對提高人的反應敏捷度有益，并能減少犯罪率等。缺少正常的“明亮—黑暗”周期節律，會造成人體的活躍性和睡眠的混亂，導致人體在黑夜時活躍而在白天嗜睡，例如跨越幾個時區的長途飛行會出現這樣的時差現象；三班倒的工作人員也會出現這種癥狀[5]。因此模擬自然條件下隨時間變化的光照、光色，正確使用光色和照度，兼顧到特殊人群和特殊使用場合(例如醫療照明、農業照明等)[6]，這恰恰是LED照明大有作為的場合，也是智慧照明發展的機遇。

5 LED頻閃問題

近年來LED的頻閃問題受到廣泛關注，由于光源燈具的頻閃不能被人眼察覺，往往被忽略了，而隨著生理學及醫學的發展，LED燈具的頻閃問題尤其是室內燈具，讀寫臺燈的頻閃效應可能會引起包括視疲勞在內的很多的潛在生理風險，頻閃指標就顯得重要了。我們采用頻閃比(PF)作為評價指標，即在一個波動周期內光源光通輸出的最大值與最小值的差與光通輸出最大值與最小值的和之比，表示為PF=100%×(A-B)/(A+B)。其中A是一個波動周期內光通輸出的最大值，B是一個波動周期內光通輸出的最小值，需要指出的是頻閃比的檢測應選擇采樣頻率不低于2 kHz或信號帶寬2倍以上的光源頻閃分析儀，并應在人員長時間停留的區域和可觸及危險操作的工作區域進行測量。需要指出的是，關于使用手機相機功能測試燈具頻閃的方法并不可靠，不同手機的刷新和采樣頻率可能會產生不同的效果，專業的檢測問題還是需要專業的檢測儀器設備。

6 結束語

當前LED光源技術指標已超越傳統光源。但LED照明質量的正確檢測和評估，已成為新課題和新挑戰。本文就LED照明檢測的熱點難點問題作了討論和分析，希望引起業界對LED照明檢測的正視和重視。