文献综述-LED发光二极管参数测试仪的设计.doc

苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述文献综述1. 课题背景LED(Lighting Emitting Diode)发光二极管，是一种半导体的固态发光器件。它的发光材料是固体半导体芯片，在这个半导体中，载流子发生复合放出过剩的能量，从而引起光子的发射，进而产生各种颜色的光谱。LED具有体积小、重量轻、发光效率高、寿命长、光色纯、能耗小、可靠耐用性高、安全性高、绿色环保等特点，广泛应用在全色动态大屏幕显示、信息指示灯和背光源等领域，随着第三代半导体材料氮化稼和蓝、绿、白光LED的问世，一场新的产业革命照明革命即将诞生，它标志着发光二极管灯将逐渐代替白炽灯和荧光灯，广泛应用于城市景观照明、室内装饰灯等领域。中国加入WTO、08年北京奥运会的成功举办以及2010年的上海世界博览会等，都成为LED显示屏产业发展的重大契机。LED的重心一直置于可见光部分，最近几年LED的发展极为迅速，用途也更为广泛。国际上普遍的观点认为，LED产业最诱人的前景还不止现在我们所看到的LED的发展和应用。光电子产业是21世纪最具有代表意义的主导产业之一，作为整个光电子产业基础和核心的LED技术，有望成为21世纪的尖端技术。预计2010年，以光电子信息技术为主导的信息产业，将形成5万亿美元的产业规模；20102015年间，光电子产业有望取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并且成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要指标。2. 研究目的与现状2.1. 研究目的和意义随着LED应用范围的不断扩大，人们对LED的发光亮度和波长的一致性提出了更高的要求，为了解决因发光亮度和波长一致性差而引起的LED显示屏的质量问题，须按LED的发光亮度和波长进行分选，提高LED的质量。据统计，分选后的LED每只的利润可增加到1分钱，假设国内每年生产LED管280亿只，如果有一半的LED需要经过分选，利润就可以增加到近1亿多元，利润非常可观。因此，如果能开发出来检测精度高、速度快的LED特性参数测试系统，实现LED的高速、高效分选，对提高LED的质量和满足市场广泛的需求具有重要的意义。虽然本文是基于建立一个LED特性参数测试教育平台的目的，主要应用于学校和中小企业，但是LED分谱检测与分选设备经过研制和不断的完善后，可以逐步推向市场，其市场前景非常可观。随着我国LED照明的发展，现有的LED照明产品检测技术和产品标准方面已经落后，为了解我国LED照明产品的技术水平，进而推动我国LED照明工业的技术进步，促进行业发展。首先，我国LED照明器具的技术标准和测试方法评价体系应当建立和健全，现有的检测系统应该规范，这样，不同企业的产品在进行测试时就可以有统一的测试方法来依据。此外，LED照明器具标准测试方法的建立，也对促进半导体技术的进步，提高LED照明产品的生产和质量，缩短我国与国际水平的差距，具有极其重要的作用，将会产生经济和社会的双效益。2.2. 研究现状与存在的问题相比于通常所说的“灯”，LED在尺寸、光通量水平、光谱及空间强度等方面都显示出很大的特殊性。所以，要把光度量从传统的发光强度标准（标准灯）传递到发光二极管是件很复杂的事情，这个过程包含着很多不确定因素。又由于LED的发光面小、光束狭窄、亮度高等特点，决定了其检测的特殊性。此外，LED输出的光和辐射与芯片温度有关的特性，以及光学设计上的差异性，甚至使LED的测量难于重现。2.2.1研究现状为了解决这个问题，CIE(International Commission on Illumination，国际照明委员会)分别成立了“TC2-45 LED测量”和“TC2-46 CIE/ISO LED强度测量标准”两个技术委员会。1997年10月，CIETC2-34小组在维也纳总部召开会议，制定并推荐CIE127-1997LED测量标准，它包括LED辐射度、光度和色度等方面的测量。但是，近年来LED技术发展迅猛，特别是照明白光LED的产品，出现了许多过去所未考虑到的问题。因此，1999年，发达国家在日本东京举行了CIE年会，这次会议上，CIETC2-34制定了白光LED照明器具标准，日本代表团还提交了一般照明白光LED的两项标准草案。近几年，基于发展LED照明技术的目的，各发达国家对LED测试方法和标准的研究都给予了非常高的重视。世界发达国家都在为获取LED研究的制高点而努力，在LED标准和测试方法等方面都投入了大量的人力物力财力，重点是对LED特性参数的测试标准和方法的研究。美国主要侧重于LED发光特性、温度特性和光衰特性等测试方法的研究，目的是建立起一整套的LED测试方法和技术标准，目前已在LED测试方面走在了世界的前列。日本专门致力于照明白光LED的测试方法和技术标准的研究。目前，国内LED的检测设备发展也非常迅速，不断成功研发出从LED发光材料、LED芯片到LED管、LED灯和灯具等产业的各个环节的检测设备。其中包括用于实验室研发的检测仪器、生产线上的自动检测和分选设备以及用于产品品质检测的仪器设备。测量的范围包括光度、光谱、辐射度、色度、电参数、可靠性和寿命等一系列参数。目前我国还没有制定出LED照明器具标准，相应地也没有LED照明检测系统。一些企业购入了部分LED检测设备，但是由于专业性研究的欠缺，检测水平较低，仪器配套性差，检测精度低，以至于互相之间没有对比性，测试项目不能满足实际需求。虽然，我国的一些专业检测机构也曾开展了一系列的LED测试研究工作，但都因为条件的限制，还不能形成一整套完整的检测评价系统，其水平与国外发达国家相比，仍有很大的差距。不同的生产厂家和用户之间经常因为没有统一的标准，产生很大争议。近年来，中国光协光电器件专业分会陆续组织了多次的LED测试方法的学术研讨和交流会，业界人士兼顾照明功率型白光LED的发展需求，制定了“SJ/T2355-2005”体LED测试方法，这个统一的行业标准根据CIE127-1997“Measurement of LEDs”方法，又添加了显色特性、结温等参数的测量方法，该标准不仅在行业内的产品交流和对比中发挥了重要作用，也为照明LED产品的发展提供了极为重要的依据。但是随着LED应用范围的不断扩大，LED照明相关的标准法规已经跟不上时代的要求；关于LED相关产品的各国标准分析，是各大厂商设计的基础，由于国内标准滞后，需要迫切详细了解LED发展与标准不相符的状况。为此，09年8月27-29日由“中国照明电器协会”联合“照明工程师社区人才培训中心”举办的为期三天的09LED照明产品安全规范与标准测试技术培训班在上海拉开序幕，针对各国的几十个产品标准进行了详解与评论。因此，标准问题仍然是一个需要进一步研究和解决的大问题。本课题的主要研究任务是按照CIE所提出的LED参数标准测量方法要求，探讨和研究LED相关参数的测量，并根据此方法设计出一种测量LED特性参数的仪器，该仪器经不断研制和完善后，可以逐步推向市场，用来提高LED的检测水平及其质量。2.2.2 存在的主要问题有人说，与其它一些科学实验相比，LED特性参数的测试更具有“艺术性”，意思是说在LED测试过程中存在着很多不确定因素。相比于传统光源，LED光源在物理尺寸、光通量、光谱、光强的空间分布等方面存在着很大的差异，因此其测试方法也有一定的特殊性。LED特性参数测试主要存在如下问题：1. LED光色参数测试中，LED的封装、温度、探测器、测量定律等都对测量结果产生影响。LED光源的特殊性决定了这些影响往往是不可忽视的。但为了测试结果的可比性，只好采用在标准条件下（如CTE127）进行侧量，得出近似的结果。2. 虽然在光学的辐射度、光度和色度领域建立了相应的国家基标准，但由于标准灯基本上是白炽灯，其几何尺度、光通量、空间强度和光谱分布与LED之间存在极大的差别，所以基标准量值的传递必须逐级进行，致使传递层次多和不确定度小两者之间构成一对矛盾。3. 由于LED的光能比较微弱，且体积小，用常规的方法进行测试，传感器较大，容易产生较大的误差。4. LED的伏安特性与普通二极管相同，温度对其正向电压影响在(-0.7-3.0)mV/K 范围，从而引起 LED 发光强度尤其是红光 LED 的温度系数高达-0.0125a.u./K，因此造成量值重复性差。5. 用球形光度计测量不同颜色的LED光通量时，经常会出现较大的误差，误差主要来源于常常被人们忽视的色修正问题。6. 在LED测试中，仪器在下列几方面的技术性能对测试结果影响较大：（1） 必须选用具有较高稳定度和电流测量准确度的恒流源；（2） 光度探测器的光谱灵敏度响应曲线 S ()必须进行严格修正，以使其符合CIE-1931人眼光谱光效率函数 V ()；（3） LED光源的光束角一般较小，转角的间隔和准确性会严重影响测试结果；（4） 在LED大屏幕显示和白光照明光源的应用中，对LED的颜色要求比较高，由于LED的发光波长是半导体材料决定的，若测试仪器精度不高，很难达到控制品质的目的。7. 在超高亮度和功率型LED器件中，不合理的结构设计将导致PN结温度升高，严重影响到LED的输出光强、主波长（颜色）、使用寿命和可靠性等。8. LED发展速度异常迅猛，其性能改进速度大约为每十年提高十倍。因此有人认为：如果说半导体在电子学领域完成了第一次革命的话，那么第二次革命会否在照明领域？超高亮度乃至功率型白光LED这种特殊光源的出现，给传统的光源测量带来许多新问题。基于以上LED测量方面的问题，专家建议，LED参数测试时关注以下几个方面的问题，对提高LED的测试精度有重要意义：（1） CIE提出，测试时须采用LED的机械中心而不是光学中心；（2） 确保驱动LED的电流恒定；（3） 在进行LED测量时，要保证LED工作状态稳定或有稳定的时间间隔；（4） 保证几次重复测试时环境温度保持一致；（5） 选择再现性好的测试装置；（6） 保证进行测量时，测试装置得到了正确的维护和校准。3. 课题途径及步骤元器件以合理的搭配组合设计出一个LED测量仪器，使其对LED相关参量进行准确的测量，统计并分析结果。具体操作步骤如下：（1）查阅了解LED的工作原理及相关参量，并根据课题要求进行猜想和探讨，构思出一个大致符合具体要求的设计方案；（2）开始着手绘制构思所得的原理图，通过软件方面的数据进行修正，得出比较满意的硬件图。（3）根据硬件原理图的各个模块，编绘出具体的软件程序图，再通过具体的调试，分析修正符合硬件的软件模块。（4）对LED进行多种情况的测量，分析总结出测量中的误差，提出具体的解决方案。 4. 可能遇到的问题及应变措施（1）问题：对LED相关图像相关参量及工作理论了解不多，缺少软件开发的实际经验。拟采取措施：查阅相关资料，不懂的再向导师请教，进一步熟悉软件开发工具。（2）问题：由于LED的特殊性，对温度的敏感程度高。拟采取措施：统一测量环境，使其保持在统一的温度下进行测量。（3）问题：由于距离的远近对LED探测器有影响。拟采取措施：对不同的LED进行不同距离的测量，通过比较选出较好的测量距离。参考文献1 王晓明，郭伟玲，高国等. LED-新一代照明光源J.现代显示，2005，10（7）：15-19.2 CIE. Commission International de IEclairage Measurement of LEDs S.publication CIE 127.3 李春茂.单色光 LED 及其应用J.科苑实践，2009，12（2）：105-109.4 汤顺青. 色度学M.北京：北京理工大学出版社.1990.6.5 吴强，郭光灿.光学M.合肥：中国科技大学出版社.2001.10.6 陈海燕