LED关键参数及其检测技术

俞安琪，居家奇，许建兴，庄晓波，陈大华

(1.复旦大学电光源研究所，上海 200433；2.上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114；3.上海应用技术大学理学院，上海 201418；4.厦门立达信照明有限公司，福建 厦门 350000)

引言

理解和应用LED检测技术，不仅仅是LED照明专业检测人员的工作，事实上LED产品的设计、策划及检测所依据的都是标准，因此产品的策划、设计及检测相关人员都必须认真研读和理解标准，而检测过程则是对标准的理解与应用，它是防止设计输入阶段缺失的关键环节。设计输入的不全面，会造成设计研发的返工、模具的报废等问题的出现。LED产品及特性的最新研究成果对照明产品生产厂商和照明设计师而言具有重要的参考价值，对LED照明产品检测工作具有重要的借鉴意义。

1 LED的热特性

相对于传统光源，LED的发光效率明显提高，但其光电转换效率还没有达到极限，相当一部分电能转化为热量，这部分热量使得芯片的结温升高，直接影响LED的发光效率和使用寿命[1]。因此，结温是评估LED照明产品的重要参数之一。需要特别注意LED的热特性。温度直接影响LED的色漂移、光效、寿命等参数。

同一LED模组在相同的驱动电流、不同结温条件下，当LED的结温上升时，它的端电压会下降，如果驱动电路只具有稳压功能，当结温上升较多时，LED的功率将大幅上升，如果散热不佳将造成恶性循环，最终使LED模组受损。当LED的结温上升时，它蓝峰的幅值下降，并引发被激发的其他光谱幅值下降，导致发光效率的下降。当LED的结温上升时，其蓝峰还会发生红移，这也是LED灯点亮预热时光谱会发生漂移的原因。当结温上升受控时，光谱漂移能在规定的范围内；而当结温上升过多时，光谱漂移将会超出标准规定。

过高的温度会导致荧光粉-硅胶涂层的变劣和失效，其原因如下：在LED模组工作时，随着结温的升高，其覆盖的涂层温度会升高，而且输出光发生色参数的漂移，只要涂层温度没有超过涂层耐温的限值，待模组不工作恢复常温时，色坐标仍会回复到原来的位置，如图1(a)所示，该色漂移是可逆的；当模组的工作温度超过涂层耐温的限值时，涂层会发生变性，并产生非可逆性色漂移，即当模组不工作回到常温时，色坐标回复不到原来的位置，如图1(b)所示，该涂层性能已经发生不可逆转的劣变。每种涂层耐温不同所以产生的非可逆性色漂移的温度也是不同的，而且LED涂层耐温只是众多指标中的一个，所以仅仅是涂层耐温高的LED模组，其质量未必就好，还要兼顾其他指标。为此，LED照明已经由单纯追求高光效向全面提高光品质的方向发展。LED照明器具要实现良好的色参数及持久的光维持指标，那就必须保证在声称的最高的特征点温度ta和最高的环境温度tq条件下及其他条件处于规定区域的上限时，其内部LED模组及对温度敏感的电解电容等部件的特定点温度tc在合理的范围内。而在产品研发过程中，这些温度数值的标定应基于模组的涂层不产生非可逆性色漂移，且基于这些指标的函数关系而得出的限值。

图1 LED可逆性色漂移和非可逆性色漂移

优质LED照明产品的结温控制，必须保证其涂层工作在产生非可逆性色漂移的温度之下，并留有足够的余量。只有控制结温，才能控制模组的涂层温度。结温、ta和tq及器件敏感温度点tc这几个温度彼此关联，并有一定的函数关系。新修订的IES LM-80中已经规定高功率LED的电气和光度测量方法。我们应充分应用可重复性的测量方法，这在控制LED模组结温条件下，测量LED模组的电气和光度的数值。

荧光粉-硅胶涂层的温度往往会比LED模组的结温要高，我们曾做过如下的试验：在直径约为10 mm的COB封装的功率型LED模组出光面上，用油性记号笔点了一个直径约为0.8 mm的黑点，保持其他工作条件不变，当点亮该LED模组仅几十秒钟，该黑点及周边荧光粉硅胶层就发生鼓泡现象，这是由于该黑点阻碍了光辐射能量的输出，造成被遮挡点的荧光粉硅胶层产生很高的温度，因此在LED的出光面上，绝对不可以用各类传感器来测量各参数。目前最可靠及有效的方法是，测量结温应尽可能地利用LED正向电压降与结温的关系所标定的曲线，并且通过精确测量LED的动态电压来计算出结温；而测量荧光粉硅胶层温度则应该采用瞄点(非接触)式红外测温仪。不同荧光粉涂敷方式造成的温度变化见表1，当采用荧光粉离心(沉淀)工艺时，荧光粉层对光辐射的阻碍作用不明显，荧光粉层的温度也小于结温，而当采用非离心涂覆工艺时，由于荧光粉层对光辐射的阻碍作用的明显，因此造成荧光粉层的温度也高于结温，严重时甚至会高出结温20 ℃以上。其中，tj采用LED正向电压降与结温的关系标定该曲线并测量得到；出光面温度采用瞄点式红外测温仪测得，工作条件为800 mA，tc=70 ℃。

表1 不同荧光粉涂敷方式造成的温度变化

2 高显色指数LED

从图2可以看出，白炽灯的辐射光谱虽然齐全，但是光效太低，且短波长的紫蓝光的比例太低；三基色荧光灯虽然Ra较高，但其无法在水晶灯等场合应用；图2(b)是高显色LED的光谱，兼具高光效和接近太阳光谱的优点[2]。

近年来LED在光谱改良方面有了新进展，如图3所示，单蓝光激发的LED的光谱与自然光相比，其缺陷是R12(紫蓝光)成分明显不足，这通常是很难被察觉的，但是在对颜色要求特别高的画院、印刷厂等场合，专业人员依然能发现紫蓝光成分的不足。

图2 LED与太阳、白炽灯和荧光灯的光谱对比

图3 单蓝光激发与双蓝光激发光谱对比

图3(c)是采用400 nm和450 nm双光谱激发的LED模组，它明显弥补了紫蓝光段光谱的缺少；从图3(d)可以看出，其光谱接近自然光。除了光效及光谱优势外，LED优良的调控性更是其他人造光源无法比拟的。

IES TM-30-18评估光源显色性的方法中增加了Rf(颜色保真指数)和Rg(色域指数)2个显色性评价指标。Rf是对于规定的99种试验色样的特殊颜色保真指数Rf,cesi的平均值，而Rg是表征被照物体照射下颜色饱和度的参数，由99种试验色样分别在被测照明体和参照照明体条件下构建的色域多边形面积比计算得到[3]。

3 LED视网膜蓝光危害

视网膜蓝光视觉危害的分级见表2，照明光源基本只产生RG0、RG1和 RG2这3个视网膜蓝光危害的等级，类似电焊光的能量才能产生RG3视觉危害的等级。视网膜蓝光视觉危害是由直接照射到眼睛的过强辐亮度造成，并且与光成像面积有关，表2第2列规定了辐亮度限值，并规定了辐射进入眼睛的弧度。造成视网膜蓝光危害是需要时间(能量)积累的，表2第3列规定了在不同的辐亮度时人眼睛耐受辐照时间范围，即辐亮度越高，人眼睛耐受辐照时间越短。

表2 视网膜蓝光危害等级、辐亮度范围和耐受辐照时间

图4(a)的蓝光LED辐亮度达到RG2级，眼睛对它注视数秒就会受到伤害。但是在加上扩散罩后，如图4(b)所示，其蓝光辐亮度下降了3个多数量级，即发光面积扩大了1 000多倍，所以就变成RG0级，眼睛注视时间>10 000 s都不会受伤害。

图4 LED模组的蓝光危害

这种现象与操作图钉的工作原理相似，当相同的力作用在图钉平面上，因为平面端压强小，手指不会受到伤害，而图钉的尖头因为压强大，就能压入到木板中，如图4(c)所示。在LED灯具产品监督抽查中发现，很多灯具前的透明扩散板可以方便地拆卸，拆卸后灯具的蓝光辐亮度一般比拆卸前高一个危险等级，严重时甚至提高2个危险等级。因此，当灯具含有根据IEC/TR62778分类为具有Ethr条件的光源时仍需要注意以下问题：如果灯具设计成可拆卸、可维护的结构，需要按照GB7000.1标准的要求，在显著处标注“不要注视亮着的光源”的警示符号，并在说明书中说明“此灯具内的光源应由制造商或其服务代理商或有类似资格的人来更换”；如果设计为不可拆卸、不可维护的结构，应设计成在不破坏灯具或其部件时不能拆卸透光罩，并在说明书中说明“此灯具的光源是不可替换的；当光源到其寿终时，应替换整个灯具”。

4 富蓝化LED照明对昼夜节律的影响

目前对蓝光危害认识的最大误区是把两种完全不同机理的蓝光危害与富蓝化照明光对昼夜节律的影响相互混淆。甚至认为手机、电脑和电视机的蓝屏都会产生蓝光危害，于是防蓝光挡屏和防蓝光眼镜就开始热销，这是典型的错误认识。手机、电脑和电视机的蓝屏根本达不到产生蓝光危害的辐亮度，但会对人的昼夜节律产生影响。

如图5所示，现代医学研究表明，光进入人眼睛后，其中一路作用是产生视觉体验和视觉反射；另一路作用是影响生物节律、神经内分泌及神经行为调节，如图6所示[4]。

图5 光进入眼睛后对人的影响示意图

激素皮质醇(压力激素)和褪黑素(睡眠激素)在控制人体的活跃度和睡眠方面起着重要的作用。其中皮质醇可增加血液中的糖分并为人体提供能量，同时增强人体的免疫系统；而褪黑素水平低时人的警觉性和工作效率相应地高，褪黑素水平高时，人相对容易进入睡眠状态。

蓝光并不是LED灯才有，太阳光及金卤灯和荧光灯也都含有蓝光，荧光灯还辐射比蓝光能量更强的253.7 nm紫外线，但只要处理得当，它们仍可长期安全使用。要正确区分蓝光危害和富蓝化照明影响人的昼夜节律这两种情况，蓝光危害是指蓝光辐亮度达到标准规定的RG2类或者RG3类(如电焊光)时，且不加保护才会在较短时间或瞬间对人眼造成伤害，所依据的标准是GB/T 20145—2006/IEC62471和IEC 62778。而当照明没达到蓝光危害级别时，它只会因为辐照时间及剂量影响人的生理节律。

蓝光是白光的重要组成光谱，人是不能离开蓝光的。例如冬季缺乏阳光的地区季节性忧郁症的发病率明显较高，医生通常用含蓝光较丰富的高色温的照明来改善或治愈这类忧郁症。另外，蓝光还是治疗新生儿黄疸常用且有效的方案。研究表明，高色温的照明对提高人的反应敏捷度有益，并能减少犯罪率等。缺少正常的“明亮—黑暗”周期节律，会造成人体的活跃性和睡眠的混乱，导致人体在黑夜时活跃而在白天嗜睡，例如跨越几个时区的长途飞行会出现这样的时差现象；三班倒的工作人员也会出现这种症状[5]。因此模拟自然条件下随时间变化的光照、光色，正确使用光色和照度，兼顾到特殊人群和特殊使用场合(例如医疗照明、农业照明等)[6]，这恰恰是LED照明大有作为的场合，也是智慧照明发展的机遇。

5 LED频闪问题

近年来LED的频闪问题受到广泛关注，由于光源灯具的频闪不能被人眼察觉，往往被忽略了，而随着生理学及医学的发展，LED灯具的频闪问题尤其是室内灯具，读写台灯的频闪效应可能会引起包括视疲劳在内的很多的潜在生理风险，频闪指标就显得重要了。我们采用频闪比(PF)作为评价指标，即在一个波动周期内光源光通输出的最大值与最小值的差与光通输出最大值与最小值的和之比，表示为PF=100%×(A-B)/(A+B)。其中A是一个波动周期内光通输出的最大值，B是一个波动周期内光通输出的最小值，需要指出的是频闪比的检测应选择采样频率不低于2 kHz或信号带宽2倍以上的光源频闪分析仪，并应在人员长时间停留的区域和可触及危险操作的工作区域进行测量。需要指出的是，关于使用手机相机功能测试灯具频闪的方法并不可靠，不同手机的刷新和采样频率可能会产生不同的效果，专业的检测问题还是需要专业的检测仪器设备。

6 结束语

当前LED光源技术指标已超越传统光源。但LED照明质量的正确检测和评估，已成为新课题和新挑战。本文就LED照明检测的热点难点问题作了讨论和分析，希望引起业界对LED照明检测的正视和重视。