（光学专业论文）照明led光学参数测试及应用研究.pdf

摘要 发光二极管( l i g h te m i t t e dd i o d el e d ) 光源已广泛应用于信息领域、照明领域、 显示领域，是继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的新型光源。随着光电产业的快速发 展，人们对l e d 性能参数的测量也提出了更高的要求。不少研究机构已研发出具有较 高水平的l e d 检测设备，但其成本较高。本课题依据c i e 标准，开发了一套l e d 发光 强度自动测量系统。该系统在满足稳定性和精确性的基础上降低了成本。 在设计测试系统时，本文首先介绍了有关l e d 光度测量的基本理论及测量的国内 外标准，提出设计测量系统的总体方案，分为硬件设计与软件设计两部分。测试系统的 硬件主要包括：p c 机控制单片机系统驱动的步进电机，将光信号转换为电信号的光电 探测器以及完成数据采集和处理的0 8 1 0 0 a 型数据采集卡。测试系统软件部分主要包括 控制步进电机驱动的程序、a d 转换程序、数据通讯部分。整个软件部分基于l a b v i e w 做系统，实现了对步进电机的控制及数据的采集及处理。然后，对典型的l e d 样品进 行了测量，并利用m a t l a b 数学工具对所测数据进行分析，得出了1 w 级“食人鱼”白光 l e d 发光强度在c i e 标准条件下及沿轴向传播规律的数学形式分别为厂( x ) ：口i 。b 等、 厂( 曲：a * x 。2 。并在此基础上，利用t r a c e p r o 软件设计了一款l e d 路灯。 针对白光l e d 的发光效率会达到多少的热点问题，对蓝光激发黄色荧光粉及三原 色( r e d ，g r e e n ，b l u er g b ) 实现白光的极限流明值( 远景光效) 进行了理论计算，分别 得出其理论值为2 0 0 0 和4 6 4 3l m w 。 最后在总结本文工作的基础上，对本课题可能改进的方向进行了展望。 可以预见，本课题的研究将为今后l e d 光学设计及相关方面提供参考。 关键词 发光二极管，发光强度空间分布曲线，数据采集，远景光效，光学设计 a b s t r a c t l i g h te m i t t e dd i o d e ( l e d ) ，a san e w - t y l ) el i g h t - h o u s ea f t e rt h ei n c a n d e s c e n c e ，f l u o r e s c e n t l a m p ，a n dg a sd i s c h a r g el a m p ，i sw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i l l u m i n a t i n ge n g i n e e r i n g ，a n dd i s p l a y w i t ht h er a p i dg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to ft h e o p t o - e l e c t r o n i c s ，t h ep a r a m e t e r so fl e ds h o u l db et e s t e ds t r i c t l y r e c e n t l y , m a n yi n s t i t u t e s h a v ed e v e l o p e ds o m eh i g hl e v e lt e s t i n gd e v i c e sf o rl e d ，h o w e v e r , t h o s ed e v i c e sa 他c o s t l y i n t h i sd i s s e r t a t i o n , al o wc o s ta u t o m a t i c - m e a s u r e m e n ts y s t e mo fl e dl i g h ti n t e n s i t yw a s d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ec i es t a n d a r d s t h en e ws y s t e mc a nm e e tt h et e s tr e p e a t a b i l i t ya n d p r e c i s i o n a tt h es a m et i m et h es y s t e mc a nr e d u c et h ec o s t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eb a s i c t h e o r ya n dm e a s u r e m e n ts t a n d a r d sf o rp h o t o m e t r i c m e a s u r e m e n to fl e dw e l ei n t r o d u c e df i r s t l y t h e n , ad e s i g nf o rm e a s u r e m e n ts y s t e m ， i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds o r w a r ed e s i g n ，i sd e s c r i b e d f o rt h es y s t e mh a r d w a r e ， e l e c t r i cs i g n a l s ，w h i c hi sc o n v e r t e df r o mo p t i c a ls i g n a l sb yt h ep h o t o d e t e r c t o r , i sc o l l e c t e da n d p r o c e s s e db yt h e0 810 0 a - t y p ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d a tt h es a m et i m e ，t h ep cc o n t r o l st h e m c ut o d r i v e t h es t e p m o t o ri no r d e rt oc o m p l e t et h ew h o l em e a s u r e m e n tp r o c e s s t h e s y s t e ms o r w a r e ，w h i c hi sc o m p o s e do ft h es t e p p e rm o t o r - d r i v e np r o g r a m m i n g ，a d c o n v e r s i o np r o c e s sd e s i g n , a n dd a t ac o m m u n i c a t i o n , i sb a s e do nt h ep l a t f o r mo fl a b v i e w t h es y s t e ms o t t w a r ec o n t r o l st h es t e p m o t o r ，a n dg a t h e r sa n dp r o c e s s e st h es i g n a l s f u r t h e r , a f t e rm e a s u r i n gt h et y p i c a ll e ds a m p l e s ：a n da n a l y z i n gt h em e a s u r e dd a t ab y m a t l a bm a t h e m a t i c a lt o o l s ，1 w - c l a s s p i r a n h a w h i t el e dl u m i n o u si n t e n s i t yw i t ht h e m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n , ，o ) ：口l e 印a n d 厂= 口，u n d e rt h ec o n d i t i o n so fc i e s t a n d a r da n dt h ea x i a lp r o p a g a t i o n , r e s p e c t i v e l y , w e r e o b t a i n e d o nt h i sb a s i s ，al e dl a m p w a sd e s i g n e du s i n gt r a c e p r os o l , r a r e a d d i t i o n a l l y , f o rt h et o p i ci s s u e sa b o u tt h ee f f i c i e n c yo fw h i t el e dl u m i n o u s ，t h el i m i t l u m i n o u sf l u xe f f i c i e n c i e s ( 1 0 n g - t e r ml u m i n o u se f f i c i e n c y ) o ft h ew h i t el e d ，c o m b i n i n g b l u el e dc h i pa n dy a g ：c ey e l l o wp h o s p h o r ，a n dr g bp r o d u c i n gw h i t el e da r ec a l c u l a t e d t 0b e2 0 0 0a n d4 6 4 3i r a w , r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , o nt h eb a s eo ft h ew o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ep o s s i b l ei m p o r v e m e n t si nt h i s m e a s u r e m e n ts y s t e ma 托p r o p o s e d i tc 捆1 nb ee x p e c t e d ，t h es u b j e c to f0 1 1 1 r e s e a r c hw i l lp r o v i d er e l e v a n ti n f o r m a t i o nf o rt h e l e d o p t i c a ld e s i g na n dr e l a t e da r e a s k e yw o r d s ：l i g h te m i t t e dd i o d e ( l e d ) ，s p a t i a ld i s c i b u t i o nc u v i o fl u m i n o u si n t e n s i t y , d a t aa c q u i s i t i o n , l o n g - t e r ml u m i n o u se f f i c i e n c y , o p t i c a ld e s i g n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名出指导教师签名：逊荔：凿 孑彩年万月f 7 日力fd 年6 月l7 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：工裘l 彤 砀年6 月7 7 日 西北丈学学位论文 第一章绪论 随着l e d 发光效率的迅速提高、成本的逐渐下降和颜色的不断丰富，l e d 技术的 应用领域正在由指示、显示向照明领域扩展。l e d 技术进入照明领域是非常重要的技术 创新，其影响可以同晶体管取代真空电子管相比，将是照明领域的一场革命。本章主要 对l e d 光源的发展历史作一个简要回顾，对有关l e d 测量的国内外标准及发展现状进 行扼要的介绍，并简单介绍了白光l e d 的远景光效。 1 1l i g h t e m i t t i n g d i o d e ( l e d ) 发展进程及工作原理简介 1 1il e d 发展进程 在上世纪二十年代法国科学家ow l o s s o w 在进行s i c 检波器研究时，首先观 察到了半导体p n 结发光现象【l l 。应用半导体p n 结发光源制成的l e d ，问世于2 0 世纪6 0 年代初。1 9 6 4 年红色l e d 首先研发成功，黄色l e d 随之出现。全球第一 款商用l e d 是在1 9 6 5 年用锗材料作成的其单价为4 5 美元。由于受当时器件工艺 技术、材料制各上的制约，人们对这一现象并没有迅速利用。随着器件工艺与 v 族材料上的进步，直到四十年后，人们终于研制出能发射红光的g a a s p 发光二级 管，但其发光效率低，功率也小。此时，l e d 被人们用作仪表指示口d 1 。 1 9 6 8 年，人们研制出发光效率达到1l m w ，并且能够笈出橙光、红光和黄光， 取得了突破性的进展。1 9 7 1 年，又研发出了1i m w 的g a p 绿色裸片l e d 。1 9 7 2 年， l e d 显示屏开始出现并应用，但价格很高。此后，随着材料研究和器件工艺的进一 步进展，各种色光的l e d 大量在市场涌现。美国的克雷( c r e e ) 公司和日本日亚化 学公司( n i t , a ) 通过m o c v d ( m e t a l - o r g a n i cc h e m i e a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 技本 研制出高亮度的紫光、绿光及蓝光l e d 器件。目前，l e d 已广泛应用于显示、背光、 信号灯等领域 4 1 。圈11 和图12 分别为不同的l e d 外形图和常见小功率l e d 实物图。 母且 一 目 田1 1l e d 外形图圈1 0 小功率l e d 实物圈 口h 0 第一章绪论 半导体照明是指用固态发光器件作为光源的照明，包括发光二极管和有机发光二极 管( o r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd i s p l a yo l e d ) s - 7 1 。半导体照明产品同传统产品相比，具有 耗电少、寿命长、耐震动、色彩丰富、可控性强等特点，是继白炽灯、荧光灯之后照明 光源的又一次革命【8 】。发展半导体照明产业( 以下简称l e d 产业) ，对照明工程、环境 工程、城市建设、汽车、家用电器工业、电子信息、航空航天、原材料与装备制造、太 阳能光伏等产业，以及农业、医疗、公共设施等领域都具有重要带动作用【9 】。目前，发 光二极管在显示、光信息处理、光通信等方面有着极为广泛的应用。近几年来，l e d 无 论产量还是产值均位居半导体光电器件前列【l o l 。 有关资料显示【l l 】，我国已成为世界第一大照明电器生产国和出口国。l e d 市场份额 迅速增长，预计2 0 1 0 年我国半导体照明及相关产业的产值将达至0 1 0 0 0 亿元。随着国家 中长期科学和技术发展规划纲要的颁布以及国家“十一五 8 6 3 计划的实施和“半导 体照明工程1 2 】重大项目的启动。我国半导体照明产业进入了跨越式发展、自主创新的 重大历史机遇期。 由于l e d 研究和应用的快速发展，人们对l e d 性能参数的测量也提出了更高的要 求。全球产品安全测试及认证领域厂商( u n d e r w r i t e r sl a b o r a t o r i e s u l ) 宣布与为照明 产业提供光度测试报告的独立组织( l u m i n a i r et e s t i n gl a b o r a t o r yl t l ) 展开策略结盟。 此合作关系使u l 成为第一个可为l e d 产品提供“能源之星 节能测试的国家认可的 测试实验机构1 1 3 1 。一些发达的国家研制和生产了多种发光二极管光电参数测试仪器。典 型的生产厂家有美国的v i m 公司，t e k 公司，a o t 公司等【1 4 1 。近几年来国内出现了自 动化程度较高且测量精度较高的l e d 检测仪【l 卯，但总体成本较高。 1 1 2l e d 工作原理 一个原子中的电子有很多能级，当电子从高能级向低能级跳变时，电子的能量就减 少，而减少的能量则转变成光子发射出去。l e d 工作原理与之类似。不过不同的是， l e d 并不是通过原子内部的电子跃变来发光的，而是通过将电压加在l e d 的p n 结两 端，使p h i 结本身形成一个能级( 实际上，是一系列的能级) ，然后电子在这个能级上 跃变并产生光子来发光的【1 6 】如图1 3 所示。 2 西北大学学位论文 图1 3 发光原理图 l e d 发光属于电致发光。所谓电致发光是一种直接将电能转换成光能的过程。这种 发光不存在尤如白炽灯那样先将电能转变成热能，继而使物体温度升高而发光的现象， 故将这种光称之为冷光。电致发光实际上也是一种能量的变换与转移的过程。电场的作 用使系统受到激发，将电子由低能态跃迁到高能态，当它们从高能态回到低能态时，根 据能量守衡原理，多余的能量将以光的形式释放出来，这就是电致激发发光。发光波长 取决于电子的能量差： a e - - hv - - h - c 入= 1 2 4 入( 1 1 ) 其中e = e 1 e 2 ，e 是发射光子所具有的能量，以电子伏特为单位。入为光子波长，以 毫微米为单位。由式( 1 1 ) 可知，激发电子的能量差e 越高，所发出的电子波长就越 短，颜色发生蓝移。反之，激发电子能量差变小，所发光子的波长就会红移。 1 2l e d 发光强度测量标准国内外动态 1 2 1l e d 测量相关国际标准 现在国际上制定l e d 标准化的组织有国际照明委员会( c o m m i s s i o n i n t e m a t i o n a l d e c l a i r a g ec i e ) 和国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o nm c ) 。各国有与之对应的标准化组织和相关的企业。l e d 产品性能方 面统一的国际标准目前尚未出台。但i e c 和c i e 都对l e d 标准化做了大量的工作， 已经制定了部分l e d 草案和标准。部分标准将作为c i e i s o 以及c i e i c e 的联合标 准，以此来统一各国之间l e d 的有关测量问题【1 7 1 。 c i e 有两个关于l e d 标准的出版物：c i e l 2 7 1 9 9 7 l e d 测试方法 ( c i e l 2 7 1 9 9 7 ：m e a s u r e m e n to fl e d s ) 。c i e 在c i e l 2 7 1 9 9 7 l e d 测试方法中 提出了将l e d 强度测试确定为平均光强的概念，并规定了探测器大小和测试结构， 第一章绪论 奠定了l e d 准确测试的基础，被广泛采用。c i e i s ol e d 强制测试标准( c 刀叭s o s t a n d a r d so nl e d i n t e n s i t ym e a s u r e m e n t ) 。 c i e l 2 7 1 9 9 7 对l e d 平均光强规定了两种标准测量条件a 和b 【墙】如表1 1 和图 1 4 所示。条件a 规定光探测器的接收面和l e d 的前顶面之间的距离d 是3 1 6m 1 1 1 ， 条件b 规定两二者之间的距离是1 0 0m i l l 。并且l e d 的机械轴要与探测器接收面的 中心垂直。光探测器在两种情况下的接收面积都是1 0 0m n l 2 ，这样探测器的接收半 径为5 6 5i n m 。因此，a 、b 两种情况下探测器接收面对l e d 所张的立体角分别是 0 0 0 1s r 和0 0 1s r ，平面角相应就为2 。和6 5 。 表1 1c i e l 2 7 1 9 9 7 标准条件a 和b 条件测量距离( m m ) 探测器面积( m m 2 ) 立体角( s r )平面角( 。) a3 1 61 0 00 0 0 12 b1 0 0 1 0 00 0 16 5 士9 0 。0 1 4 - 9 0 。0 1 。 c i ec o n d i t i o nac i ec o n d i t i o nb 图1 4c i e l 2 7 - 1 9 9 7 标准条件a 和b 测量示意图 1 2 2l e d 测量相关国内标准 在二十世纪八十年代，我国原第四机械工业部发布过s j2 3 5 3 3 8 3 半导体发光 二极管测试方法和s j2 6 5 8 8 6 半导体红外发光二极管测试方法两个关于l e d 测试方法的行业标准。但由于这两个标准标龄过长，测试方法和测试项目过时，对 功率型和高亮度的l e d 已不再适用。 目前在我国还没有有关l e d 测试方法的国家标准。在2 0 0 2 年，中国光学光电 4 西北大学学位论文 子行业协会光电器件专业分会经过多次的研讨和调研，制定了半导体发光二极管 测试方法这一统一的行业标准。该标准结合高亮度白光l e d 的发展需求，同时还 采用了c i e l 2 7 1 9 9 7 中的一些方法。目前该行业标准正在试行，还在进行进一步的 修改与完善之中【1 9 1 。 1 2 3l e d 标准发展动向 因为当前没有一致的有关l e d 产品性能方面的国标，而且各国l e d 发展速度 和研究重点也不相同。各国l e d 生产企业的研发人员( 尤其是发达国家的研发人员) 一边积极参与国际标准的制定，同时又积极准备或已开始制定本国的l e d 标准及体 系，在本国政府的大力支持下，试图将本国的l e d 标准及体系成为国际的通用标准， 从而达到控制l e d 国际市场的目的 2 0 - 2 1 1 。由此可见，l e d 标准已然成为国际l e d 技术与产业新的竞争点。 当前，l e d 行业标准和国家标准在我国还没有形成。但随着我国实施“国家半 导体照明工程等计划的和进展，我国l e d 国家标准的制定已取得了进展。例如： 普通照明用l e d 模块性能要求行业标准已经形成草案，目前正在研究的有关 l e d 的标准有普通照明用l e d 模块安全要求和普通照明用l e d 测试方法等 2 2 1 。 1 3l e d 检测技术研究现状 由于l e d 在外形尺寸、发光强度量级、光通量水平、光谱和指向性强等的特殊性， 所以按照传统测量方法对测量l e d 并不适用。另外各国的l e d 发展水平参差不齐，检 测技术也不在同一技术水平上。为了解决这些问题，c i e 帛t j 定了关于l e d 的测量标准。 但是，在涉及到工业测量方法时却存在分歧。另外，随着l e d 技术的迅速发展，特别 是白光l e d 发光效率的提高，许多问题是过去所未考虑的。目前对l e d 的封装形状、 尺寸及配光特性尚未统一，故对l e d 进行光学测量难度很大。 在国内，l e d 检测技术取得了很大的成果。已经研制出了从芯片、l e d 材料、 l e d 灯具、l e d 光学参数等各个环节的检测仪器。许多学者也研究设计了不同的有关 l e d 参数的检测装置。在国外，m b l i s s 2 3 ，l s v i l a i n i s 2 4 1 等都各自设计了l e d 光学检测 系统。国内的刘金清【2 5 1 等利用微型计算机接口技术、光电转换技术，设计了一套l e d 光源参数的微机自动检测系统。周小丽等【2 6 1 提出了一种新的l e d 光通量测试方法， 并构建t n 试系统。龙兴n t 2 7 1 等结合虚拟技术设计实现t l e d 的空间参数测试系统。 但从总体上来看，众多测试系统对发光强度的测量局限于c i e 标准条件，对标准测试距 第一章绪论 离以外l e d 的发光强度的空间分布研究却很少。且测试系统总体成本较高。 1 4 白光l e d 的远景光效 l e d 发光效率的进展见图1 5 所示。l e d 已经进入照明领域，但l e d 能否代替传统 光源而成为第四代新型光源? l e d 的极限流明效率能达到是多少? 许多学者专门讨论 和涉及到了白光l e d 的极限流明效率( 远景光效) 2 8 - 2 9 1 。但在目前，白光l e d 的极限流 明的结果尚未统一。着手和开展该方面的研究，对将来白光l e d 的发展具有理论指导意 义。 光 效 图1 5l e d 光效发展示意图 1 5 本论文主要内容及结构安排 本论文的研究内容为： ( 1 ) 按照c i e 测量l e d 标准，设计研制一套l e d 发光强度空间分布自动测量 系统。 ( 2 ) 利用研制的系统在标准条件a 下对1 w 级“食人鱼一l e d 的发光强度分布 进行测量，并研究其规律，从而给出一个近似函数。 ( 3 ) 利用研制的系统对i w 级“食人鱼一l e d 发光强度在自由空间的传播进行 研究，并用一个近似函数进行描绘。 ( 4 ) 设计一款l e d 路灯。 6 l d 0 西北大学学位论文 ( 5 ) 对白光l e d 的远景光效作出理论预测。 可以预见，本论文的研究成果将为从事l e d 发光强度测试装置研制的人员和企 业提供参考。给出的近似函数将为有关的光学设计者提供基础性的参考。而白光 l e d 远景光效的理论预测为白光l e d 的发展在理论上提供指导。 本论文的结构安排如下： 第一章，绪论部分。首先对l e d 发展历史以及l e d 测量的国内外标准进行简单 的介绍，然后提出研究白光l e d 远景光效的重要性。最后提出本论文研究的主要内 容。 第二章，l e d 发光强度空间分布测试系统设计部分。首先给出系统设计的总体 方案。然后从硬件和软件设计两部分进行设计。 第三章，食人鱼”型白光l e d 配光曲线及路灯设计研究部分。首先对测试系统 的性能进行了评价。并利用设计的测试系统对所测的数据进行分析。最后设计了一 款l e d 路灯。 第四章，白光l e d 远景光效部分。本章简要的介绍了白光l e d 的实现的三种方 案。重点对三基色实现白光和蓝光激发黄色荧光粉实现白光l e d 的远景光效进行了 理论计算。最后对l e d 发光效率进行了简单的探讨。 第五章，总结与展望部分。对本论文进行了总结，并提出了需要改进的方面及改 进的方法。 7 第一章绪论 参考文献 【l 】周太明，宋贤杰，周伟，等l e d 2 1 世纪照明新光源【j 】照明工程学报，2 0 0 1 ，3 ( 0 4 ) ：4 0 - 4 3 【2 】陈云生2 1 世纪的灯一白色le d 照明技术【j 】灯与照明，2 0 0 3 ，5 ( 2 ) ：3 8 - 4 0 【3 】杨笑卫高亮度、纯白色le d 灯的研制【j 】中国照明电器，2 0 0 0 ，( 1 ) ：2 9 3 1 【4 】李熹霖l e d 显示技术的现状和发展【j 】光电子技术，1 9 9 6 ，1 6 ( 4 ) ，3 0 6 3 1 3 【5 a k o sb o b r e y , j a n o ss e h a n d a c o l o rm a e t h n i gu s i n gl e d sa sp r i m a r i e s j ，c o l o rr e s e a e r h a n da p p l i e a t i o n , 2 0 0 4 ，2 9 ( 5 ) ，3 6 0 3 6 4 6 h t t p ：w w w c e c n x w z x g n s z g d x w 2 0 0 6 0 2 0 9 t 2 0 0 6 0 2 0 9 _ 6 0 3 6 8 3 9 3 s h t m l 【7 】h t t p ：w e n w e n s o $ o c o m z q16 16 6 2 4 2 7 h 衄9 p i d - - w e n w e n a u t o l o g i n 【8 】h t t p ：w w w c c t v c o m n e w s s c i e n c e 2 0 0 4 0 9 0 8 1 0 1 2 8 5 s h t m l 【9 】电子部基础产品重大工程司新型元器件“九五一发展纲要川中国电子元件行业协会 会刊，1 9 9 1 ，( 4 ) ：l _ 4 【1 0 】鲍超l e d 测试仪器述评【j 】m o d e m s c i e n t i f i ci n s t r u m e n t s ，1 9 9 4 ，8 ( 3 ) ：1 8 - 2 0 【1 l 】光电新闻网中国照明电器，2 0 0 9 ，( 4 ) ：4 0 _ 4 l 【1 2 】周圣军，郭顺生，余彬海等基于l a b v i e w 的发光二极管光电参数测试系统的研制 j 】 半导体光电，2 0 0 7 ，2 8 ( 4 ) ：5 0 1 5 0 3 【1 3 】周胜利多光谱问题中辐射量与光度量之间的关系【j 】光学技术，1 9 9 7 ( 2 ) ：5 0 5 2 【1 4 】何国兴颜色科学【天津：东华大学出版社，2 0 0 7 ：2 1 - 2 2 【15 】毛兴武，周建军，祝大卫新一代绿色光源l e d 及其应用技术d 川北京：人民邮电出版 社，2 0 0 9 ：1 2 5 【1 6 h t t p ：w w w c h i n a - l e d n e t h t m l z s j i a n g t a n g j i c h u 2 0 0 5 - 1 2 1 8 1 3 2 4 4 5 8 9 8 h t m 【1 7 】屈素辉普通照明用l e d 标准及技术要求川中国照明电器，2 0 0 9 ，( 4 ) ：2 9 3 3 【18 c i e ：m e a s u r e m e n to fl e d s p u b l i c a t i o nc i e 12 7 - 19 9 7 ，19 9 7 1 9 】吴继宗，叶光荣光辐射测量【m 1 北京：机械工业出版社，1 9 8 9 ，1 6 7 - 2 0 8 2 0 w - 姗照明l e d 技术标准简述忉中国照明电器，2 0 0 7 ( 2 ) ：3 4 3 6 【2 1 杨清德，康亚l e d 及工程应用【m 】北京：人民邮电出版社，2 0 0 7 ，2 3 - 8 0 【2 2 】吕正l e d 性能参数测量现状及建议( 上厂f ) 【j 】中国照明电器，2 0 0 7 ( 2 ) ：6 1 6 2 2 3 1 m b l i s s ，t r b e t t s ，r g o t t s c h a l g a nl e d - b a s e dp h o t o v o l t a i cm e a s u r e m e n ts y s t e m 丽m v a r i a b l e s p e c t r u ma n d f l a s hs p e e d 叨s o l a re n e r g ym a t e r i a l s & s o l a rc e l l s ，9 3 ( 2 0 0 9 ) ：8 2 5 - 8 3 0 2 4 l s v i l a i n i s l e dd i r e c t i v i t ym e a r s u r e m e n ti ns i t u 阴m e a s u r e m e n t4 1 ( 2 0 0 8 ) 6 4 7 - 6 5 4 西北大学学位论文 【2 5 】刘金清，黄宇升l e d 光源参数的微机自动检测【j 】电子测量技术，2 0 0 8 ，1 0 ( 3 1 ) ： 1 0 8 - 1 1 0 【2 6 】周小丽，刘木清，钱勇等l e d 光通量测试系统的研究【j 】光电子激光，2 0 0 8 ，6 ( 1 9 ) ： 7 2 8 7 3 0 【2 7 】龙兴明，周静多功能l e d 参数测试系统研制 j 】半导体光电，2 0 0 7 ，2 ( 2 8 ) ：1 7 9 1 8 l 【2 8 】郑代顺，钱可元功率型白光l e d 研究进展【j 】冲国照明电器，2 0 0 6 ( 3 ) ：3 1 3 2 【2 9 】中国半导体行业协会中国半导体产业发展报告【m 】北京：机械工业出版社， 2 0 0 9 ，1 - 4 7 9 西北大学学位论文 第二章发光强度空间分布测试系统 本章就发光强度空间测试系统先进行总体设计，给出一个规划。然后将整个测试系 统分为硬件设计和软件设计两部分。步进电机模块驱动被测l e d 旋转，然后由光电探 测器模块将变化的光信号转换为电信号，再将电信号传输到数据采集模块，数据采集模 块则将电信号采集并将其处理成为p c 机能识别的数字信号。这些模块组成测试系统的 硬件部分；测试系统软件部分主要包括由控制步进电机驱动的程序设、a d 转换程序设 计、单片机与p c 机的通讯及数据传输到p c 机后的数据处理部分。 2 1 系统总体设计 2 1 1 测量系统总体方案 系统装置总体方案见图2 1 ，从图中可以看出，我们采取恒压源来驱动l e d ，被测 l e d 的发光中心正好位于刻度盘的圆心。在测量中保持探测器不动，并以l e d 的机械 轴为中心轴，并且始终保持光电探测头灵敏面与l e d 机械轴相互垂直。同时设d l ，d 2 ， d 3 三个光阑，p d 为包含面积为1 0 0m i l l 2 的光阑d l 的光电探测器；d 2 和d 3 为消除杂散 光光阑。d 为光阑d l 与被测l e d 器件之间的距离。在图中，u 为电压源，d 为被测l e d 器件。l e d 旋转一个角度，探测器便接收的一个光辐射强度信号。 从系统总体结构框图2 2 中可以看到，整个测量的核心是p c 机，单片机接收来自 p c 机的指令，然后单片机识别是否驱动步进电机或者进行测量采样。通过p c 机和单片 机来实现测试平台的旋转和采集光强信号的同步进行，通过a d 转换将模拟信号转变为 单片机能够进行处理的数字信号，再由单片机输送给p c 机对数据进行处理和分析。整 个测量过程在暗室中进行，并确保满足l e d 测量标准条件。 u 薹r _ - 图2 1l e d 测量系统装置示意图 第二章发光强度空间分布测试系统 铲 电渡电 压转换和 ，d 转换 电压放大 叫， 暾路 单 i i 片 机 步进电机 系 旋转台 步进电机驱动电路 c 统 2 2l e d 测量系统装置结构简图 2 1 2 光度定标 由于噪声或者环境因素的影响在没有光照的情况下，光电探测器产生的光电压即为 暗电压。这会使测量产生误差。所以要将暗电压消除，即进行零点定标。可采取探测器 在不受光照的情况下，测得探测器的暗电压，在实际测量中扣除这个电压值即可。 2 2 测试系统硬件模块 测试系统的硬件模块部分包括步进电机及其驱动与控制电路模块、光电探测器模块、 l e d 驱动模块、信号放大电路、a d 转换及信号采样电路、单片机系统及通讯接口等模 块。 2 2 1 步进电机及其驱动、控制模块 本实验采用步进角为1 8 。的四相六线制步进电机并采用半步工作方式。图2 3 是四 相六线制步进电机原理图【l - 2 ，图2 4 为其实物图。这类步进电机既可作为四相电机使 用，也可做为两相电机使用，使用灵活，因此应用非常广泛。步进电机有整步方式和半 步方式两种工作方式【3 1 。在半步方式情况下，每接收一个脉冲步进电机旋转0 9 。需要 4 0 0 个脉冲，步进电机才能旋转一周。其半步控制的时序表见表2 1 【4 】。 兰jo b + o b 一 图2 3 四相六线制步进电机原理图 西北太学学位论文 图2 4 四相六线制步进电机实暂田 表2 1 半步控萌时序衰 时序 b 十 00o1 3 lo sl l 00 l00 bl00 采用的驱动板电压适用范围为7 2 4v ，有三种控制方式为：按键控制，外部脉冲控 制，串口控制。驱动板实物圈如25 所示。本实验采用外部脉冲控制。 田2 s 驱动扳宴翱圈 第二章发光叠度宅问分布测试置境 2 , 2 2 光电探测器模块 满足c i e l 2 7 1 9 9 7 试行标准规定的光电探测器一般分为硅光电池和硅光电二极管 ”刊。光电二极管( p h o t o d i o d e p o ) 把光信号转换为电信号的功能是由半导体p n 结的光电 效应实现的1 7 - 1 q 。图2 6 为硅型光电二极管实物图。光电二极管在受到光照时，会产生 一个与照度成正比的小电流，因此是很好的光电传感器u ”。光电二极管是在反向电压 作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小( 一般小于0l 微安) ，称为暗电流 d 2 - t 3 i 。当有光照时，携带能量的光子进入p n 结后，把能量传给共价键上的束缚电 子，使部分电于挣脱共价键，从而产生电子空穴对，称为光生载流子。它们在反 向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也 越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在光照射下，所产生的电流叫光电流。 如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号而且这个电信号随着光的变 化而相应发生变化。 圈2 6 硅壅光电= 极臂实物田 硅光电池和硅光电二投管两者的光谱响应曲线如图2 7 和2 8 所示。从图2 7 可以看 出，硅光电池表现出强烈的非线性。图2 9 和2 1 0 所示为两种光探铡器的面响应均匀度 三维示意图。硅光电池的特性很差，对临敏面上不同点上的输出信号值不同，不易作为 光电探测器使用。而硅光电二极管响应速度快，响应的波长范围也很宽 1 5 l 。正是由于这 些优点，本实验选用硅光电二极管。 西北大学学位论文 相 对 灵 敏 度 ，1 1 、 ， f 相 对 光 灵 敏 度 波长u m 圈2 7 硅光电池的光谱灵娃曲缱 i ，。 。| 波长r i m 圈2 8 硅光电二极管光落灵娃曲线 圈2 9 硅光电池面响应均匀度三维示意圈 第二章发光丑度空问分布测试系统 睡2 1 1 光电= 撮譬铡量电路 22 3l e d 驱动模块 用3 v 直流开关稳压电源来驱动l e d 的电路图如2 1 2 所示。数字万用表1 用来 监控l e d 的驱动电流，数字万用表2 用来监控驱动电路的电压f 1 6 。目的是为了保 证在测试时，被测l e d 的电流和电压在整个测试过程中恒定。 田2 1 2l e d 驱动电路 1 6 西北大学学位论文 2 24 数据采集模块 本实验采用0 8 1 0 0 a 型数据采集卡 1 7 - 2 1 】( 见图21 3 ) ，它由上位机和下位机两个系统 组成，上位机系统是由上位机软件和p c 机组成，下位机系统就是由开发扳及下位机软件 组成。 圈2 , 1 3u s b 蕺据采集 ( 0 8 1 0 0 a 垂单片机实物暖 2 3 测试系统软件 测试系统软件部分主要包括控制步进电机驱动的程序设计以及a ，d 转换及信号采样 电路、单片机系统及通讯接口等模块的上位机控制及数据显示、处理的程序设计部分。 2 3 1 步进电机驱动程序 以下为用c 语言编写豹四相六线步进电机驱动程序： # i n c l u d e # i n c l u d e a w d e l a yh # d e f m c u c h a t u a s i 弘c ac h a r # d e f i l e , l i n t u a s i g n c d i n t u c h a r r i p ；步进电机运行数据表 c o n s tu c h a r m o t o n b f l = o x l i , o x 9 9 ，0 x 8 8 ，0 x c c , 0 x 4 4 ，o x 6 6 。0 x 2 2 ，0 x 3 3 ； v o i dd e l a y _ n m s ( u i n tm s l 每步延时的子程序 u i n t i ； f o r ( i = o ；i m s ；i q - v ) d e l a yi o o p _ 2 ( 8 + 2 5 0 、： ) 第二章发光强度空间分布测试