让我们为 LED 照明创建一个标准光源！

让我们为 LED 照明创建一个标准光源！

2022/11/16

让我们为 LED 照明创建一个标准光源！日亚化学与 AIST 合作开发“全向标准LED”

2021 年 8 月，全球 LED 制造商日亚化学工业株式会社 (Nichia Corporation) 与 AIST 宣布推出一种新的标准光源，使用可向各个方向发光的 LED“全向标准LED”样机研发成功我做到了(2021/08/30 新闻稿文章）。
开发照明设备产品时为了保证质量“标准光源”对于亮度至关重要在照明行业，LED照明因其优异的节能性能和高耐用性而迅速普及，但事实上，LED照明仍然被广泛使用。难以准确评估产品质量, 如何测量世界各国的 LED 照明使用LED的标准光源的开发正在进行中。与此同时，领先的 LED 公司 Nichia Chemical Industries 与日本国家计量研究所 AIST 合作他致力于标准光源的开发。虽然公司和研究机构分享各自的专业领域，成功开发全新标准装置我想介绍一个联合研究的例子。

白炽灯泡时代的标准光源，工匠手工制作

在介绍LED标准光源的发展之前，我们先来了解一下白炽灯泡和标准灯泡的历史。白炽灯泡是一项划时代的发明，用使用电能的白炽照明取代了传统的煤气灯，彻底改变了世界。

　与许多工业产品一样，为了将白炽灯泡商业化并发展照明行业，需要一种“措施”来衡量性能。这就是为什么一个世纪前创建了“标准灯泡”来测量白炽灯泡的亮度。日本直到最近几年才生产的标准灯泡是半个多世纪前通过产业通产省电气测试实验室（AIST 的前身）与灯泡制造商的合作开发的。这些标准灯泡是工匠们运用“工匠精神”一一手工制作而成的高品质灯泡，具有稳定性等优异特性，堪称白炽灯泡中的“极致”。

　然而，如今我们很少看到白炽灯泡，不仅在工作中，而且在家里也是如此。荧光灯曾一度取代白炽灯，但随着 LED 照明的普及，荧光灯正在迅速消失。白炽灯泡产量的减少或暂停也影响了标准灯泡。

LED测量技术标准化及标准光源开发

LED（Light Emitting Diode），即LED照明的光源，是一种直接将电能转化为光能并发光的半导体。发出红光和绿光的LED元件很早就投入实用，但蓝光LED的开发技术难度大，需要很长时间才能完成。在众多公司和研究机构竞相竞争的同时，日亚化学公司于1993年在全球率先成功实现了蓝色LED的商业化，从而实现了光的三基色（红、绿、蓝）。此外，通过将受到蓝光照射时发出黄光的荧光体与蓝色LED相结合，可以创造出用于家庭照明的白色。对其发展做出贡献的三位日本科学家荣获2014年诺贝尔物理学奖，可见蓝光LED的发明和实际应用具有多么革命性。

　蓝光LED和白光LED的发展是照明行业60年一遇的革命。 LED照明具有卓越的节能性能和突出的耐用性，正在迅速取代白炽灯和荧光灯等传统光源。据预测，照明将被半导体照明（主要是 LED）所取代。LED 照明的出现不仅取代了光源，而且还迫使评估光源亮度的方法发生变化。”日本产业技术研究院计量中心的 Kenji Kamado 说道。

　当白光LED在2000年左右投入实际使用时，由于LED元件的光谱和光分布特性（光强度的空间分布）与传统标准光源不同，因此很难正确测量它们，因此需要在全球范围内标准化LED测量方法。国内外相关组织已开始讨论LED元件和LED照明相关测量方法和设备所需的性能标准。

许多制造商都感到有必要开发一个标准的LED光源，但很难看到开发标准光源的商业利益，只有少数研究机构和公司采取了主动行动。作为日本国家测量标准组织，负责向业界提供“测量”的AIST认识到LED标准光源的需求，但发现单独完成这一任务很难，正在寻找一家公司共同开发。

　该领域世界领先的日亚化学工业技术开发本部的Yoshiki Yamaji响应了上帝的召唤。

　当时，各制造商对于LED产品各种特性的数值存在很大差异。即使规格中所写的值相同，每个公司的产品也会更暗或更亮，但对于合适的 LED 元件并没有亮度标准。我们无能为力。我们认为，作为领先的 LED 公司，解决这个问题是我们的使命。我们决定与 AIST 合作，为行业和社会做出贡献，超越我们作为一家公司自身的利益。”

其他国家的国家计量机构正在制定使用LED的标准，但通常使用市售的LED产品作为标准光源。像日本一样，研究机构和企业在共享专业领域的同时从头开始制定新标准，可以说在国际上是罕见的例子。

成功开发出覆盖整个可见光谱的标准光源

　当我们于 2005 年开始联合研究时，我们的目标是开发和销售 LED 元件的标准光源，而不是灯泡。然而，LED 产品不仅作为 LED 元件，而且作为照明装置，在全世界迅速流行。因此，即使在开发出LED元件的标准光源后，他们仍继续联合研究，并将目标转向为包括灯泡在内的各种类型的LED照明创建标准光源。

　LED照明要成为标准光源需要具备以下三个特性。
　① 优异的照明稳定性和再现性
　②在整个可见光波长范围（380 nm至780 nm）内具有足够的光强度
　③光线向各个方向传播

其中，我们通过运用在LED元件标准光源开发中积累的技术，解决了①问题。因此，团队首先专注于开发覆盖可见光波长范围的标准光源（2）。

　评价LED照明亮度的指标是“总光通量值”。总光通量值是根据人眼的敏感度，对每个波长从光源发出的光向各个方向的辐射功率进行加权，并在所有波长上求和得到的。对于具有多种光谱的 LED 照明，正确权衡每个波长非常重要。

　该评估使用了一种称为光谱测定法的方法，其标准光源需要在可见光波长范围（380 nm 至 780 nm）内具有足够的光强度。然而，即使在研究开始之前开发出的LED，即使是那些具有最佳特性的LED，其短波长侧和长波长侧的光强度也不足，使得它们不适合作为标准光源。

因此，团队致力于通过组合多个不同中心波长的LED元件和多种类型的荧光粉，开发出一种在可见光谱范围内具有足够光强度的标准LED。

　“LED元件的亮度会根据温度而变化，但变化的方式取决于中心波长℃，整体平衡是不同的。最困难的部分是弄清楚如何在整个可见光范围内创建平滑的光谱。我们反复测量覆盖元件的树脂和透光率，找到了最佳组合，”Yamaji在回顾2016年全球首次成功实验时说道。

逐步实现向各个方向均匀辐射光线的全向形状

　虽然我们覆盖了整个可见光范围，但由于LED元件基本上具有向前发光的特性，因此下一个挑战是实现③“全向性”，这是标准白炽灯泡所具有的特性。基于之前的研究，该团队选择在扩散圆顶内加入一个特殊的帽形光学系统，将光线向后引导。

　AIST的“测量”技术有助于评估采用该光学系统的标准LED的光分布特性是否在各个方向上正确传播。测量是使用如图所示的漆黑设备进行的，旋转一根末端装有光源的手臂。为了最大限度地减少反射光的影响，我们在实验室的黑暗中进行了仔细的测量，所有东西都漆成黑色，包括墙壁、地板和电气开关。

　从这些测量结果来看，我们能够证明其配光特性比以前的标准灯泡更加理想，在所有方向上均匀发光，包括背面方向，但底座方向（下图中的180°）除外。

　AIST 的 Yuri Nakazawa 解释说：“传统标准灯泡的光分布会造成轻微的不均匀性，但使用这种全向标准 LED，这种不均匀性就不会被发现。”

下一个挑战是亮度和小型化

　虽然这是创建的标准光源，但仍然存在不少问题。一个特别大的问题是亮度不足。原型机的总光通量值约为 90 流明，仅为相当于典型 40 W 灯泡的 LED 灯的五分之一左右。

　为了保证足够的亮度，有一个必须解决的难题。除非您将光分布特性限制在前面并旨在覆盖整个可见光范围，否则您可以制作任意数量的明亮 LED。如果想要稳定各个方向的光强度，覆盖较宽的可见波长范围，并且仍然获得足够的光量，那么首要的问题就是热辐射。为了使其成为实用的标准灯泡，成品的尺寸必须与市售产品的尺寸相似。为了使当前的原型能够作为标准光源来测量向各个方向传播的光源的总光通量，必须解决这个问题。更先进的设计将是未来的一个挑战。我们希望克服这些问题并在2023年内实现销售。

　全向标准 LED 是日亚化学工业公司和产业技术研究所 17 年联合研究的结晶。山路现在是唯一一个从日亚化学工业公司成立到现在一直参与其中的人，但迄今为止他的知识已经牢牢地传授给公司的年轻工程师。

　在公司工作了三四年的员工也参与了标准光源的开发。参与新产品开发的机会不多，所以我觉得这段经历对以后会有用。最重要的是，对于年轻开发者来说，认识到他们的产品开发支持社会基础是件好事，这可以提高年轻开发者的积极性。”2022 年加入该团队的 Hiroshi Miyairi 说道。

Shinya Kume 是年轻开发者之一，参与了改善全向标准 LED 散热的技术，这被认为是一个重要问题。

　研究结果公布后，周围的人反响很好。我能够参与一项非常有意义的开发，我再次为我的公司感到自豪，因为我知道只有日亚化学才能做到这一点。这段经历让我充满了信心。''

　另一位年轻的开发者 Takayuki Masazumi 致力于通过与标准光源进行比较来测量 LED 产品的光源亮度。

　LED 照明是一种将构成工业和社会未来发展基础的产品。作为一名工程师，我非常自豪并受到鼓励，能够在一个了解我的工作如何与社会联系的职位上工作。''

　未来，联合研究项目将致力于根据现有水平优化散热机制设计并投入实用，以达到所需的总光通量值，同时确定总光通量值与光源尺寸之间的平衡。同时，我们计划提高总光通量和光谱测量方法的复杂性，以更精确地测量全向标准LED。

　作为LED照明标准的标准光源，为LED产业未来提供了指引，是支撑其发展的重要“举措”。在引领 LED 开发和商业化方面继续发挥核心作用的日亚化学工业公司和日本计量标准负责人 AIST 将继续联合研究，分享智慧和经验。