周鋼 劉秀娟 張嘉盈 吳杜雄

開發(fā)設計

紫外發(fā)射二極管輻射度測試方法

周鋼1劉秀娟2張嘉盈3吳杜雄3

（1.深圳賽西信息技術有限公司，廣東 深圳 518057 2.中國電子技術標準化研究院，北京 100176 3.廣州賽西標準檢測研究院有限公司，廣東 廣州 510700）

受國家節(jié)能環(huán)保政策及新型冠狀病毒肺炎疫情等因素影響，紫外發(fā)射二極管憑借自身優(yōu)勢在市場上廣泛普及，但存在輻射度測試標準缺失問題。制定紫外發(fā)射二極管輻射度測試方法的行業(yè)標準，分析測試儀器及評價指標的要求，開展相關試驗驗證，為紫外發(fā)射二極管的產(chǎn)品質(zhì)量提供測評手段。

紫外發(fā)射二極管；輻射度；測試方法

0 引言

紫外發(fā)射二極管（ultraviolet emitting diode, UV LED）是指在一定電流激勵下，可發(fā)射紫外光的半導體二極管。UVLED具有節(jié)能環(huán)保、體積小、結(jié)構(gòu)牢固、易控制等特點，逐漸取代傳統(tǒng)紫外光源，廣泛應用于紫外固化、衛(wèi)生消毒、分析測試、防偽檢測、醫(yī)療診斷和環(huán)境凈化等領域。2017年8月正式實施的《關于汞的水俁公約》限定了汞的使用、排放以及2020年新型冠狀病毒肺炎疫情在全球迅速蔓延，都為UVLED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供重要契機。

雖然紫外輻射小劑量時對人體無害，但大劑量時會給眼睛及皮膚造成危害[1]，如皮膚紅斑、晶狀體白內(nèi)障、光致角膜炎、電光性眼炎等。近年來，隨著UV LED的生物效應越來越受到重視，評價UV LED產(chǎn)品質(zhì)量的輻射度指標也倍受關注。

1 標準化現(xiàn)狀

UV LED的核心部分是由P，N型半導體構(gòu)成的PN結(jié)，當正向電流導通PN結(jié)時，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出紫外光。UV LED工作機理不同于汞燈等傳統(tǒng)紫外光源，現(xiàn)有的紫外光源國內(nèi)外標準不適用于UV LED輻射度測試，如QB/T 2989—2008《紫外線高壓汞燈紫外輻照度及電參數(shù)測量方法》等[2]。UV LED的紫外波長為（200～400）nm，普通LED的可見光波長為（380～780）nm，普通LED的國內(nèi)外標準只規(guī)定可見光的光度、色度等測試，不涉及紫外輻射度測試。因此，現(xiàn)有普通LED的國內(nèi)外標準也不適用于UV LED輻射度測試，如SJ/T 11394—2009《半導體發(fā)光二極管測試方法》等[3]。

研究UV LED輻射度測試方法，制定行業(yè)標準，規(guī)定測試條件、測試儀器、評價指標等，可為產(chǎn)品技術評價和質(zhì)量控制提供有力依據(jù)，對促進UVLED行業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。

2 測試儀器

2.1 積分球-光譜儀系統(tǒng)

UV LED輻射度測試方法可分為相對法與絕對法。其中，積分球-光譜儀系統(tǒng)采用相對法測試輻射度；測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)采用絕對法測試輻射度。

積分球-光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。積分球裝有輔助燈，用于測試UV LED及球內(nèi)物件的自吸收系數(shù)，輔助燈光譜與UV LED光譜接近，且輻射通量不隨時間而變化。積分球內(nèi)壁為無光譜選擇性、無熒光的漫反射涂層，有較強的耐紫外線能力，可避免黃化現(xiàn)象。推薦涂層使用反射率為0.85以上的涂料，以使積分球具有更好的光譜性能和更好的穩(wěn)定性[4]。積分球內(nèi)部的所有物件，如擋板、UV LED安裝支架、輔助夾具等，都會影響測試結(jié)果，因此它們外形尺寸應盡可能小，且具有紫外高反射率的表面。推薦積分球內(nèi)部的所有物件選用的涂料表面反射率在0.85以上，且具有無光譜選擇性和漫反射特性。

圖1 積分球-光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光譜儀要覆蓋UV LED的紫外波長范圍，且具有線性響應度；可采用雙單色儀或單單色儀，并符合GB/T 26179—2010《光源的光譜輻射度測量》的要求，帶寬不大于2 nm，波長分辨率不大于0.2 nm[5]。積分球-光譜儀系統(tǒng)進行總光譜輻射通量的標定后，可測試輻射通量、輻射效率、峰值波長、中心波長、光譜半寬等。

2.2 測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)

測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。測角儀的角度掃描范圍需覆蓋UV LED的全部輻射空間角度，準確度應在±0.5°之內(nèi)，角度分辨力≥0.1°。

圖2 測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在一些角度區(qū)域內(nèi)，UV LED發(fā)出的紫外輻射可能被測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)遮擋，使這些紫外輻射無法被紫外探頭接收。通過推算立體角包含的這一角度區(qū)域內(nèi)的輻射照度分布，可對UV LED的總輻射通量進行修正。

測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)置于光學暗室中，以避免雜散光影響測試結(jié)果。光學暗室中所有物件表面采用紫外低反射材料，不存在熒光現(xiàn)象。該系統(tǒng)采用溯源至SI單位的氘燈進行光譜輻射照度的標定后，可測試輻射強度、輻射強度分布、半強度角、輻射通量、輻射效率、峰值波長、中心波長、光譜半寬等。

3 評價指標

3.1 輻射照度

在光學暗室中，采用具有光譜輻射照度功能的紫外光譜儀直接測試UV LED的輻射照度，測試原理如圖3所示。UV LED與紫外探頭之間設置不同孔徑的光闌，以避免雜散光影響測試結(jié)果。

圖3 輻射照度測試原理

測試UV LED的輻射照度時，UV LED與紫外探頭之間的測試距離按CIE 127：2007《LED測量》推薦的標準條件A或條件B設置，如表1所示。在這2種條件下，紫外探頭都要求有一個面積為100 mm2的圓入射孔徑。

表1 CIE 127推薦的標準條件A或條件B

3.2 輻射強度、輻射強度分布和半強度角

在測試距離不小于UV LED輻射面最大尺寸10倍的遠場條件下，采用測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)直接測試UV LED的不同空間角度輻射照度，根據(jù)輻射照度與測試距離平方反比關系，按式(1)計算輻射強度。

3.3 輻射通量和輻射效率

采用積分球-光譜儀系統(tǒng)或測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)測試輻射通量。當測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)的測試死角（機械結(jié)構(gòu)遮擋）不影響輻射通量的準確度時，可采用該系統(tǒng)測試輻射通量[6]。

積分球-光譜儀系統(tǒng)根據(jù)已知光譜輻射通量的標準燈標定比較后，直接測試UV LED的光譜輻射通量，并按式(3)計算UV LED的總輻射通量[7]。

UV LED與標準燈的光譜、尺寸、外形等有較大差異時，可能會產(chǎn)生較大測試誤差，需用自吸收修正系數(shù)按式(4)、式(5)修正測試結(jié)果。

測角儀-紫外探頭-光譜儀系統(tǒng)直接測試不同空間角度UV LED的輻射照度分布，采用輻射照度積分法，按式(6)計算UV LED的總輻射通量。

根據(jù)積分球-光譜儀系統(tǒng)或測角儀-紫外探頭-光譜儀測試UV LED的總輻射通量與其消耗的電功率的比值，按式(7)計算輻射效率。

3.4 峰值波長、中心波長和光譜半寬

圖4 相對光譜輻射功率分布曲線圖

4 試驗驗證

分別選取2個385 nm UV-A LED（1號、2號）、275 nm UV-C LED（3號、4號）為測試對象，采用積分球-光譜儀系統(tǒng)測試其峰值波長、輻射通量、輻射效率等指標。測試中，測試場所應保持清潔干凈，無腐蝕性氣體，周圍環(huán)境無影響測試儀器正常工作的粉塵、震動和電磁場的干擾。測試儀器及UV LED達到穩(wěn)定狀態(tài)后進行測試。判定UV LED穩(wěn)定工作的條件為：在15 min內(nèi)，紫外輻射（輻射通量、輻射照度或輻射強度）變化小于0.5%。UV LED的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 UV LED的測試數(shù)據(jù)

由表2可知：UV-C LED的輻射效率遠低于UV-A LED的輻射效率，且兩者的輻射效率相對于普通LED較低。

UV LED大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，應注重改進應用材料及封裝方式，以不斷提高輻射效率；同時加強

UV LED散熱結(jié)構(gòu)設計，以改善UV LED使用壽命。

5 結(jié)語

針對UV LED缺失輻射度測試標準問題，本文提出制定行業(yè)標準的建議，從測試儀器及評價指標等方面進行分析，通過相關試驗驗證UV LED輻射度測試方法可行性，為UV LED的產(chǎn)品質(zhì)量評價提供依據(jù)。由于UV LED的發(fā)射波長短，輻射能量大，其紫外輻射對人眼和皮膚具有一定的光生物危害。在測試時，應減少皮膚裸露并佩戴紫外防護眼鏡及穿防護服進行保護，也應注意其他儀器受到UV LED紫外輻射造成的老化等問題。

[1] 王震.紫外輻射通量的測量研究[D].杭州:浙江大學,2006.

[2] 全國照明電器標準化技術委員會.QB/T 2989―2008紫外線高壓汞燈紫外輻照度及電參數(shù)測量方法[S].北京:中國輕工業(yè)出版社, 2008.

[3] 工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標準化研究所. SJ/T 11394—2009半導體發(fā)光二極管測試方法[S].北京:中國電子技術標準化研究所,2009.

[4] 林金強.積分球法測量LED光通量的可靠性研究[D].廈門:廈門大學,2013.

[5] 全國照明電器標準化技術委員會.GB/T 26179—2010光源的光譜輻射度測量[S].北京:中國標準出版社,2011.

[6] 萬小玲，楊靜華.影響積分球-光譜儀系統(tǒng)測試結(jié)果的因素分析[J].中國照明電器,2018(11):37-40.

[7] 宋立,李倩,陳聰,等.紫外LED輻射通量測量的挑戰(zhàn)與應對[J].照明工程學報,2019,30(5):107-110.

[8] 李偉銘,柳挺,黃河山,等.半導體照明產(chǎn)品的光通量測量方法研究[J].電子測試,2019(2):73-75.

Test Method for Emittance of Ultraviolet Emitting Diodes

Zhou Gang1Liu Xiujuan2Zhang Jiaying3Wu Duxiong3

(1.Shenzhen CESI Information Technology Co., Ltd. Shenzhen 518057, China 2.China Electronics Standardization Institute, Beijing 100176, China 3.CESI (Guangzhou) Standards & Testing Institute Co., Ltd. Guangzhou 510700, China)

Affected by the national energy conservation and environmental protection policy and COVID-19 epidemic, prompting UV LED to be popular in the market, but the lack of radiance test standards, it is necessary to formulate industry standards of UV LED radiance measuring method, analyze the requirements of equipment and evaluation indicators, carry out relevant tests and verification, and provide evaluation means for the quality of UV LED.

UV LED; radiance; measuring method

周鋼，男，1981年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：光電標準化及檢測。E-mail: zhougang@cesi-gz.org.cn

劉秀娟，女，1983年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：半導體光電和顯示標準化。E-mail: liuxiujuan@cesi.cn

張嘉盈，女，1998年生，本科，主要研究方向：標準化。E-mail: zhangjy@cesi-gz.org.cn

吳杜雄（通信作者），男，1986年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：光電標準化及檢測。E-mail: wudx@cesi-gz.org.cn

TN23

A

1674-2605(2021)04-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.04.006