（光学工程专业论文）快速多通道发光二极管光谱参数测试仪的研制及应用.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 ys 8 1 3 8 2 本文详细阐述了快速多通道光谱测量技术在l e d 光谱特性参数测量中的应用研 究。多通道探测器和多通道测量技术在l e d 光谱特性参数快速实时测量中超到了重要 作用。 我们_ 丌发了基于单片机和串口通信的小型l e d 光谱特性参数测试仪，可进行现场 光谱测量，该测试仪体积小，携带方便，测量速度快，可以实时快速地对l e d 的各项 光谱参数进行测量。 该测试仪系统下位机以单片机作为控制系统的核心，控制p i t - 8 2 5 3 产生控制信号， 驱动探测器$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 工作，在单片机的控制下，a d 采集器对探测器输出的视 频信号进行数据采集，并通过r s 2 3 2 串行通讯口与计算机进行数据通信。 本论文在详细介绍l e d 的光电特性参数测试原理的基础上，进一步阐述了该测试 仪系统的整体设计思想，系统各部分的设计及其实现，着重阐述了该测试仪系统的硬 件系统和软件系统的工作原理以及具体实现，最后给出了该测试仪系统定标和定标后 的几组测量结果。 关键词：发光二极管、光谱测量、多通道探测器、单片机、串行通讯口 黔、铷同意 勿全文公布 i 塑垩查堂竺兰竺丝皇 塑垦 a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h e a p p l i c a t i o no ff a s t m u l t i c h a n n e l s p e c t r a lm e a s u r e m e n ti n m e a s u r i n gs p e c t r a lp a r a m e t e r so fl i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) m u l t i c h a n n e ld e t e c t o r sa n d t h et e c h n i q u eo fm u l t i c h a n n a ls p e c t r a lm e a s u r e m e n tp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n m e a s u r i n g s p e c t r a lp a r a m e t e r so f l e dw i t hf a s ta n dr e a l t i m ep r o p e r t i e s w ed e v e l o pam i n i a t u r ei n s t r u m e n tt h a tc a nm e a s u r es p e c t r a l p a r a m e t e r so fl e d ， w h i c hi sb a s e do nm c ua n d s e r i a l - p o r t c o m m u n i c a t i o n ，t h i s c o m p a c ta n dp o r t a b l e i n s t r u m e n tc a nw o r ki nc o n t i n u o u sw a y i tc a nm e a s u r ea l lk i n d so f s p e c t r a lp a r a m e t e r so f l e d ，w h o s es p e c t r u mi si nt h er a n g ef r o m4 0 0 n m 一7 0 0 n m t h es y s t e mt a k e sm c u a si t sk e r n e lc o n t r o l l e r , w h i c hc o n t r o lp i t - 8 2 5 3t o p r o d u c e c o n t r o ls i g n a lo f t h e $ 3 9 0 1 2 5 6 l v fs e n s o r u n d e rt h ec o n t r o lo f m c u ，a dc o l l e c t o rs t a r t s t oc o l l e c ta n dc o n v e r tt h ev i d e os i g n a li n t od i g i t a l s i g n a l f i n a l l y , a l lc o l l e c t i n gd a t aa r e t r a n s f e r r e di n t ot h ep e r s o n a l c o m p u t e rt h r o u g hs e r i a l p o r tc o m m u n i c a t i o n t h es t r u c t u r eo ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s w ep r e s e n tt h ep r i n e i p l eo ft h em e a s u r e m e n t o fs p e c t r a lp a r a m e t e r so fl i g h te m i t t i n gd i o d ei nd e t a i l t h e nw e g i v et h ed e t a i l e dd e s i g n i d e aa n di t sr e a l i z a t i o n ，m a i n l yf o c u s i n go nt h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e m a t l a s t ，w ed e m o n s t r a t et h ea c c u r a yo f t h i ss p e c t r a li n r t r u m e n t k e y w o r d s ：l e d ，s p e c t r a lm e a s u r e m e n t ，m u l t i e h a n n e ld e t e c t o r , m c u ，s e r i a l - p o r t c o m m u n i c a t i o n i i 浙江大学硕十学位论义 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 光谱技术及光谱仪器的发展历史背景及趋势 任何物质都会发射或者反射出光谱，光谱技术是获取物质信息的重要手段，光谱 测量技术已经广泛应用于航空航天、遥感遥测、生物医学、环境生态、军事科技、以 及日常生活和工业控制领域中。 自1 8 5 9 年k i r e h h o f f 和b u n s e n 制成了世界上第一台结构完整的光谱仪器以来，光 谱技术和仪器在全世界一直得到广泛重视和迅速发展。早期的光谱技术和仪器主要应 用在天文学以及对自然界的物质元素的发现上，证明了在地球以外星体上的物质和地 球组成物质一样，都是由相同化学元素组成的，从而为我们人类进一步探索太空中的 生命形式提供了坚实的理论基础。在二十世纪6 0 年代，光谱技术和光谱仪器得到了比 较完善的发展和应用，从各方面来讲，似乎都满足了当时的科技和产业发展的要求， 从真空到紫外，都建立了相当完善的光谱定性、定量分析方法以及整套光谱线图、图 谱，和与之相应的各波段光谱仪器。 随着二十世纪下半叶世界科技的突破性发展，如激光、光纤、新型光谱探测元件 及探测技术的发展，集成电路工艺、c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 、c a m ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r e ) 技术的发展，计算机软件、硬件技术的发展，使得传统的光谱技术和仪 器已经不适应科学技术的发展和应用的需要。光谱技术和仪器的发展趋向于：更高分 辨率、更高灵敏度、更快的分析速度、更小的体积、更智能化、更牢固稳定的机构、 遥感遥测、以及远程控制、故障诊断和网络化等。同时，新的科学技术和工艺的发展 和应用为发展新型的光谱技术和光谱仪器提供新的有利条件。因此，新型的光谱技术 和光谱仪器层出不穷：基于光散射原理的激光散射光谱仪、激光喇曼光谱仪，基于原 子和分子荧光发射原理的各种荧光光谱仪，基于干涉调频、调幅的傅立叶变换光谱仪、 哈特曼变换光谱仪，基于非线性光学原理的各种激光光谱仪，以及光电二极管阵列光 谱仪，显微光谱仪，超微弱光光谱仪等，这些都是在新的科学技术的迅猛发展中突破 传统的光谱原理和机构而出现的新型光谱仪。目前大多已经广泛应用于天文、化学， 浙江大学硕i ：学位论文 笫一章绪论 物理等科学研究领域以及工业控制、农业等产业生产领域。 近年来，现代科学仪器正朝着微型化，智能化、自动化、网络化、虚拟化的方向 发展，虚拟仪器概念是将来仪器发展的方向，因此，广泛渗透到人类的生活、生产领 域的光谱仪器作为现代科学仪器的一员，也势必朝着这个方向去发展。 微光学、微电子、微机械的结合产生出微型光机电系统( m i c r o o p t o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，它是机、电、光、磁、化学、传感技术等多种技术的综合。作为m 0 e m s 之一的微型光谱仪具备了很多传统大型光谱仪不具备的优点，如：重量轻、体积 小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，它可用于实验 室化学分析、临床医学检验、工业检测、航空航天等领域。 目前常用的方法包括：( 1 ) 采用新型滤光技术制作的微型光谱仪，它通过改变施 加在某种晶体上的射频频率来改变滤光片( a o t f ( a c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r s ) 一声光 可调滤光片) 的波长，而通过a o t f 的光强可以利用改变射频的功率进行精密、快速的 调节。它的分辨率很高，目前可以达到0 0 1 2 5 n m ，没有可动部件，波长调节速度快， 灵活性高。如美国h u g h e ss a n t am a r a 研究中心研制的线性锲形光谱仪。( 2 ) 利用光纤 制作的微型光谱仪，由于光纤传感器的主要特点是具有很高的传输信息容量，可以同 时反应出多元成分的多维信息，并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时 间分辨和收集瞬时信息等来加以分辨，真正通过多通道光谱分析和符合传感器阵列的 设计，来对复杂混合物中特定分析对象进行检测，这对于电传感器和声传感器来说都 是无法企及的。因为，光纤的探头可以d , n 与其传播的波长属于同一个数量级，如此 小巧的探头可以直接插入那些非整直空间和无法采样的小空间( 如活体组织、j f 管、 细胞) 中，对分析物进行连续检测。如美国o c e a no r ) t i c s 公司的m i c h a e lj m o r r i s 等 人研制的一种紧凑级联光纤d i p 探针微小光谱仪，美国s t w e nc h r i s t e s e n 等人研制的便 携式光纤拉曼光谱仪。( 3 ) 利用m e m s 和m o e m s 的微加工技术制作的集成微型光谱 仪，即利用微机械加工方法直接在c c d 成像器件上制作衍射光栅，从而构成集成式 微型光谱仪。 智能仪器是将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其具有人类智能特性 或功能的仪器，因此，朝着智能化的方向发展的现代光谱仪器，要具有人类智能的特 性或功能，一般都使用单片机( m c u ) ，嵌入式处理的系统芯片( s o c ) ，或数字信号处 理器( d s p ) 和专用电路( a s i c ) ，从而使光谱仪器内部具有数据存储，信号处理，a d 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 转换，以及对数据进行分析、处理和运算的智能软件。 网络化仪器也是现代科学仪器的发展方向，是计算机技术、网络信息技术和仪器 仪表技术相结合发展的一种新型仪器。当今发达的网络通信技术使得现今的仪器能够 实现远程操作，远程通信，远程控制，远程诊断以及资源和信息共享。例如，通过 g p i b e n e t 转换器、r s 2 3 2 r s 4 8 5 一t c p i p 转换器，将数据采集器的数据流转换成遵循 t c p i p 协议的形式，然后连上i n t r a n e t i n t e r n e t 网络，从而同计算机一样，具有独 立的网络节点，因此，现代光谱仪器的发展向着网络化方向发展也是必然趋势，通过 网络能够实现远程监控，无人探测等，从而为在恶劣条件下的光谱测量提供了可能性 和便利条件。 1 。1 2 快速多通道光谱测量技术在现场光谱测量中的意义 传统的光谱仪的分光器件一般由棱镜或光栅等光学元件组成，在光谱的焦平面上 开一道狭缝让某一波长的光通过，它是利用步进马达做机械扫描使得不同波长的光依 次通过狭缝，然后在狭缝后用光电探测器件如光电倍增管( p m t - p h o t o m u l t i p l i e rt u b e s ) 将所接收的光能量转换成电能量再在光电倍增管的倍增系统作用下将电信号进行了 放大，通过对电信号的处理得到整个波段的光谱功率分布。整个系统的体积大，而且 每次只能测量单个波长的光能量，因此，使用很不方便而且测量时间较长，不能满足 现场、实时光谱测量的需要。 采用多通道探测器的光谱仪与传统的光谱仪相比，有很多优越之处，每次能测量 很多非连续或连续波段的光谱，并能读出各光谱的波长值和相对光谱能量值，测量的 光谱范围很广，从真空紫外到远红外，而且，由于不需要步进马达带动做机械扫描， 所以光谱仪的体积大大减小，测量时间的减少使得工作效率也大大得到了提高。虽然 曾经作为光谱仪主要探测器沿用了数十年的光电倍增管，具有很高的灵敏度和宽的光 谱响应范围，但是单个光电倍增管不具备多通道同时检测信号的能力，因而不能一次 同时获得整个相应光谱范围内的谱线。而多通道探测器如电荷耦合器件c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) ，自扫描光电二极管阵s s p d ( s e l f s c a n n e d p h o t o d i o d a r r a y ) 等线阵或者 面阵的图像传感器) 可以同时获得整个光谱范围的相对光谱能量曲线，大大的提高了 全光谱的检测效率，而且将多通道探测器和计算机相结合，把同时获得的各波长点的 数据串行输入给计算机并进行处理，可以实时的得到全光谱的相对光谱能量分布曲线， 如果再将计算机连上i n t e r n e t 网络，还可以实现远程通信，远程控制，远程故障诊断 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 和资源信息共享。因此，多通道光谱仪正在拉曼光谱、激光光谱、激光医学、大气光 学、海洋光学、可调谐激光的研究中起着重要的作用，特别是用该光谱仪对水环境和 大气环境的污染以及其它恶劣工作条件环境进行遥感测量，这为无人检测提供了一种 新方法，从而大大的减少了测量人员和研究人员的危险性，进一步推动环保事业和科 学事业的发展。 1 2 发光二极管及其测试技术的发展和国内外概况 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是一种能发光的半导体二极管，当外施 电压后，在半导体p - n 结处流过正向电流时，其内部产生受激电子跃迁而发生光辐射， 按照不同半导体基本材料的物理特性，能以高的转换效率发射2 0 0 1 5 0 0 n m 从紫外到 红外不同波长的光，它是一种直接把电能转化为光和辐射能的发光器件，其内部结构 和工作原理如图卜1 所示。 图1 1 发光二极管的内部结构和工作原理 发光二极管有很多优点：工作电压低，耗电量少，驱动电路简单，发光效率高； 特殊光色，响应速度快，性能稳定，寿命长，可视性高；抗冲击，耐振动性强，低放 热，易实现固体化：重量轻，体积小，成本低等。 发光二极管进入商品化阶段要追溯到1 9 6 2 年，贝尔实验室，惠普，i b m 等公司 开始开发商用型发光二极管，l e d 产生之初，由于其低的发光亮度以及昂贵的价格， 并未受到业界的重视。1 9 6 8 年，m o n s a n t o 和惠普公司利用g a a s p 研制出了商用6 5 5 n m 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 红色l e d ，在大约十年之内。它成为市场上的主导产品。之后，伴随着半导体工业的 发展，尤其是新材料的开发和半导体工艺的改进，l e d 的性能不断提高，应用领域不 断扩展，使得l e d 产业呈现出欣欣向荣的发展景象。图1 2 为l e d 的发展过程。 年压 图1 - 2 l e d 的发展过程 目前，l e d 产业主要有以下几个方面：上游l e d 外延材料，中游l e d 芯片制造， 下游l e d 封装、以及l e d 测试技术、l e d 应用。 第一代半导体材料的主流是硅材料，接着相继出现了以g a a s ，i n p 为代表的第二 代半导体材料和以s i c ，g a n 为代表的第三代半导体材料即宽禁带半导体材料。半导体 材料的发展是l e d 发展的关键，l e d 外延材料是发展l e d 器件的基础，也是国际上 l e d 巨大市场竞争的关键。我国l e d 外延材料的生产技术落后，l e d 芯片8 0 以上 依靠进口，高亮度和超高亮度l e d 芯片几乎全部靠引进。芯片制造所需的外延片9 0 以上也靠引进。每年引进l e d 外延片耗费达十亿元。1 9 9 9 年7 月，我国l e d 外延 材料生产关键技术获得重大突破，8 6 3 国家高技术项目“a 1 g a l n p 红、橙、黄光超高 亮度l e d 外延片”产品通过鉴定， 所研制生产的外延片产品填补了国内四元系 a 1 g a l n p 材料生产的空白，为l e d 产业中外延材料的进一步发展奠定了坚实的基础。 目前我国9 5 以上的l e d 生产厂从事后道封装，芯片主要依靠进口。根据p i d a 对 世界各国l e d 产业进行综合评估，其排序依次为：日本、美国、中国台湾、欧盟、韩 国、中国大陆。同本在l e d 产业仍占绝对优势，美国在研究丌发方面的技术实力处于 领先地位，台湾则在产量上占有优势，中国大陆虽然目前在整个l e d 产业的竞争力较 低，但由于有政府对高科技产业的大力支持，以及对基础光电科学研究资金的增加投 浙江大学硕：l 学位论文第一章绪论 入，加上具有充裕的人力资源和未来巨大的市场潜力，将成为l e d 产业的后起之秀。 目前，l e d 的主要应用领域在数字和文字、交通和航空信号、道路标记等显示系统。 随着l e d 各方面的性能的提高和改进，l e d 正趋于高亮度化、全色化，尤其是在氮化 镓基底的蓝色发光二极管出现后，更是扩展了其应用领域，包括：大屏幕彩色显示、 照明灯具、激光器、多媒体显像、l c d 背景光源、探测器、交通信号灯、仪器仪表、 光纤通讯、卫星通讯、海洋光通讯、图形识别等领域。 由于l e d 产业的快速发展，竞争不断加剧，l e d 的品质受到了前所未有的重视， 尤其是在大屏幕显示、l e d 照明光源、通讯等对颜色和波长的准确度要求较高的场合， l e d 各项特性参数的品质控制的重要性就越显突出，因此，准确定量地测量l e d 及其 应用产品的各种特性参数也变得越来越重要。发光二极管既是一个半导体二极管，又 是一个光源，所以，我们既需要测量它作为半导体器件的电参数，电参数是衡量一个 发光二极管是否能正常工作的最基本的判据，通常包括正向电流和正向电压、反向电 流和反向电压。同时，还需要测量它作为一个光源的光和辐射在空间分布的能量参数， 通常包括相对光谱能量分布曲线、峰值波长、峰值波长半宽度、色坐标以及主波长。 目前，国内外都有一些公司在研制和生产发光二极管的光电参数测试仪器，国外典 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、o c e a n o p t i c s 公司、l a b s p h e r e 公司等，国内也有一些生产厂家，如广州致远电子有限公司设计开发的l e d 测试仪器， 主要测试短路、断路、反向电流、正向压降及定电流显示测试，杭州远方光电信息有 限公司推出的l e d 专用测试仪系列，可以实现l e d 光、色、电性能的测试等。总体 来观，国外l e d 测试仪器具有高性能、高精度的特点，但价格上都普遍较昂贵，国内 l e d 的检测手段还比较欠缺的。因此，随着l e d 的日益广泛应用，l e d 性能的测试 愈显重要，我们国家l e d 测试行业还有很长的路需要走。 1 3 本论文的研究工作 1 3 1 基于a d 采集卡的l e d 光谱特性参数测试仪 基于a d 卡采集的小型l e d 光谱特性参数仪是多通道光谱测量技术在现场光谱 测量中的一个应用，与传统的光谱测量技术有很大的不同。首先，该仪器具有体积小、 重量轻、携带方便等特点，其次可以实时、快速的测量l e d 的各项光谱特性参数，如 峰值波长、峰值波长半宽度、色坐标和主波长。该仪器已应用于生产l e d 的工厂企业 浙江大学硕一| ：学位论文笫一章绪论 作为l e d 光谱特性参数测量和质量抽检使用。 己成功丌发并产品化的小型l e d 光谱特性参数测试仪采用a d 卡中断方式采集 数据，a d 卡直接插在计算机的i s a 插槽里，目前很多计算机的主板都取消了i s a 插 槽，同时由于a d 卡不是p n p ( 即插即用) 设备，需要编写专门的硬件驱动程序，而 且它占用的中断号固定，所以容易与计算机已有的板卡中断号发生冲突，产生与计算 机兼容性的问题；而且，该仪器的软件是运行在w i n 9 5 、w i n 9 8 的操作系统环境中， 其中断编程受到操作系统的限制速度不能太快，因而积分时间不能调得太短，必须在 测量发光很强的l e d 时加衰减片来降低光强进行测量，不然光电流太大就要饱和。 为了使我们开发的l e d 光谱特性参数测试仪应用更加广泛，使其更适用于工厂企 业的现场l e d 光谱特性参数测量和质量抽检使用，我们着手开发了基于单片机和串口 通信的l e d 光谱特性参数测试仪。 1 3 2 基于单片机和串口通信的l e d 光谱特性参数测试仪 我们现在开发的l e d 光谱特性参数测试仪是基于单片机和串口通信的，在硬件上 只占用p c 机的串行e l ，由于几乎每一台p c 机都配置了基于r s 一2 3 2 串行数据通信标准 的串行口，不需要编写专门的硬件驱动程序，减少了仪器软件的开发难度。另外，利 用单片机作为主控系统来控制可编程定时计数器芯片产生图像探测器所需要的驱动 控制信号，使得仪器的开发成本降低，开发难度减小，而且为以后的l e d 光通量测试 仪与计算机整合实现l e d 的光电特性参数测量自动化奠定了坚实的基础，便于整个光 电特性参数测量系统易于扩展。如果想采用更高灵敏度的探测器或者采用其它种类的 探测器( c c d ，c m o s ) 来代替当前的探测器时，则只需要更改程序和扩展相应的驱动电 路来产生需要的探测器驱动信号即可。 因此，本研究课题主要分以下几个方面的工作： ( 1 ) 基于单片机和串口通信的l e d 光谱特性参数测试仪的核心是线性图像传感 器$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f ，它是由带有线性可变滤光片的自扫描光电二极管列阵组成的，它的 信号处理电路c 4 0 7 0 电路板还需要产生主起始和主时钟这两个方波脉冲信号，主起始 和主时钟脉冲信号在时序和相位上有严格的要求，其频率也要满足一定的要求。而且， 必须根据所测量的l e d 的具体光谱特性来进行相应的设定。因此，我们以单片机作为 主控系统来控制可编程定时计数器芯片产生这两路控制信号，从而构成了测试仪的控 制系统。控制系统中的主起始脉冲信号周期与主时钟脉冲信号周期息息相关，改变主 浙江大学硕一i ：学位论文第一章绪论 时钟脉冲周期也就同时相应的改变了主起始脉冲的周期。因此，要实现计算机软件对 探测器的改变，只需要在测试仪软件系统中对主时钟信号周期初值作出相应的设置即 可。 ( 2 ) 基于单片机和串口通信的l e d 光谱特性参数仪的数据转换采集是整个系统设 计考虑的重点，从图象传感器输出的是模拟信号，如何在有效的时间内将每个像元的 模拟信号转化为数字信号，何时保存转换后的数据，如何保存转换后的数据，并最终 送至p c 机进行分析、处理和显示等。 ( 3 ) 基于单片机和串口通信的l e d 光谱特性参数测试仪的单片机和p c 机的数据通 信也是本课题研究工作的重点。当我们通过a d 转换器将模拟电压信号转化为数字信 号存储在单片机的外部数据存储区时，由于我们使用的m c s 一5 1 系列的单片机对数据的 处理能力有限，因此需要将所得到的数据送入p c 机进行分析、处理、显示和存储。因 此，需要设计单片机和p c 机的串1 3 数据通讯机制，以实现将所得到的大量测量数据送 入计算机，并实时显示当前测量的l e d 的相对光谱能量曲线、峰值波长、峰值波长半 宽度、色坐标和主波长。 ( 4 ) 基于单片机和串口通信的l e d 光谱特性参数测试仪的软件系统的开发是本课 题研究工作的重要一环。仪器的软件系统是它的灵魂，仪器工作是否可靠、稳定，软 件部分占有举足轻重的作用。因此，选用合适的软件开发平台和软件编程语言，来开 发兼容性好、工作性能稳定和满足用户的需要的测试仪软件至关重要。通过仪器软件 系统分析处理测量数据，并根据测量数据计算得到我们需要的待测l e d 的光谱特性参 数，以及保存、查询、删除和打印l e d 测量数据等。 浙江大学硕 i ：学位论文 笫二章l e d 光电特性参数测试原理 第二章l e d 光电特性参数测试原理 2 1 发光二级管概述 近年来，半导体技术的发展呈指数增长，并和快速发展的电子、信息、i t 等技术 紧密联系起来，二极管( l e d ) 技术将伴随着半导体技术的发展和全球大量的投资而 蓬勃发展起来，并最终在各个领域得到广泛的应用。 2 0 世纪6 0 年代开发出来的第二代半导体材料即i v 族化合物半导体，包括g a a s 、 g a p 、i n p 及其合金形成了制作光电子器件的基础。2 0 世纪9 0 年代，宽带隙半导体材 料( e g 2 3 e v ) 成为重点研究的第三代半导体材料，包括s i c 、g a n 、a 1 n 、z n s e 和 金刚石等，具有禁带宽度大、高电子漂移饱和速度、导热性能好、化学稳定性高等优 点，可利用其宽的禁带宽度制作蓝色、绿色、紫外发光器件和光探测器件。尤其是g a n 在蓝光、紫外光发射器件方面的应用潜力，如g a n 基发光器件具有全固体、冷光源、 寿命长、体积小、光效高、响应速度快、耐温性好等优点，使得l e d 的发展迈出了关 键的一步，g a n 基l e d 发光二极管得到迅速的发展。高亮度l e d 的发光效率也大大超 过了白炽灯，由蓝色l e d 和荧光物质组合产生的橙黄色光，再利用蓝光和橙黄色光混 和可以得到白光，其寿命是白炽灯的1 0 0 倍，因此，白色l e d 有望取代白炽灯成为下 一代照明的新一代光源。 2 2 发光二级管的分类 按发光强度和工作电流分：普通亮度的l e d ( 发光强度 1 0 0 m c d ) ，高亮度发光二极管( 1 0 m c d 发光强度 图4 7 开关噪声 补偿开关噪声一种比较好的常用方法是在s s p d 内增加一列补偿列阵。设计时使 补偿列阵的m o s 开关管尺寸和形状同光敏列阵完全一样，同时用铝膜把补偿列阵 的二极管盖住，使之不产生光电信号，这样补偿列阵的输出端只输出视频信号线 上相同的开关噪声，然后，再把噪声和视频输出v o 送差分放大，就基本上能抵 消其中的开关噪声，使信噪比明显提高。另一种消除开关噪声的方法是所谓的邻近 位相关方法。它是用同一扫描信号去控制两个m o s 开关，分别与相邻的两位二极 管相连，两个m o s 管开关的漏极则分别接噪声输出线和视频输出线。当对某 位二极管的光信号采样时，由于前一位二极管电容上的电荷刚被充满，紧接着采样， 就基本上只输出开关噪声信号。同样，通过差分方式，可去掉视频信号中的开关噪 声成分，这种结构的第一位前面需要安排一个用铝膜全部盖住的暗二极管，以便对 消第一位的开关噪声。 浙江人学硕- | ：学位论文 第四章$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 工作原理及驱动电路 4 2 3s s p d 的主要特性参数 1 光电特性 在电荷存储工作方式下的s s p d 器件，其光照引起的二极管输出电荷q 正比于 曝光量。如图4 8 所示。 存在一线性工作区，当曝光量达到某一值日。后，输出电荷就达到最大值珐，热 不再随曝光量而增加。上称为饱和曝光量，而绞为饱和电荷。若器件最小允许起始 脉冲周期为瓦。，。( 由最高多路扫描频率决定) ，那么对应的照度毛= 日。，瓦。称为饱 和照度。在低光照水平下，由光电二极管热激发产生电子空穴对与储存电荷的复合( 暗 电流) ，在积分过程中引起电荷的自衰减，从而限制了弱光照图像的检测。在这两个极 端之间，根据列阵位数和二极管尺寸的不同，s s p d 器件一般有三至六个量级的线性 工作范围。 8 e 悼 脚 | | 辨 曝光量( k s ) 图4 - 8 光电输出特性 2 暗信号 s s p d 器件的暗信号主要由以下几部分组成：( 1 ) 积分暗电流；( 2 ) 开关噪声；( 3 ) 热 噪声。 在室温下，s s p d 器件中光电二极管的暗电流典型值小于l p a 。暗电流与温度有密 切的关系，即温度每升高7 。c 暗电流约增加一倍。因此随着器件温度升高，最大允 许的积分时间缩短。 开关噪声与时钏，脉冲的上升时问和下降时间，电路的布局以及器件的工艺和设计 3 8 浙江大学硕：i ：学位论文 第四章$ 3 9 0 1 2 5 6 l v fr t 作原理及驱动电路 方案等有密切关系。 热噪声是随机的、非重复性的波动，它叠加在暗电平上，是一种不能通过信号处 理去掉的极限噪声，其典型幅值为o 1 饱和水平，对大多数应用影响不大。 3 动态范围 s s p d 器件的动态范围为输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。图4 - 9 是普通电流 t ， 放大输出的动态信号波形，其动态范围珊= 等，式中为饱和信号峰值，为噪 ，n 声暗态峰值。对于任何固定的积分时间来说，s s p d 器件再充电取样的动态范围典型 值为1 0 0 ：1 。在动态范围要求很高的场合，可通过s s p d 线阵给每个二极管附加电容 器( 漏电i t d , ) ，使动态范围高达1 0 0 0 0 ：1 。二极管面积沿着与阵列垂直方向增加， 但大部分面积由不透明的铝层所覆盖，这就提供了附加的自身电容和电荷存储能力， 而不增大光电敏感面积或严重增加暗电流。 图4 - 9 动态输出波形 s s p d 和c c d 都是多通道探测器，但s s p d 相对于c c d 具有驱动电路简单，图 像质量失真小，短波响应好，光谱响应范围宽2 0 0 n m 1 0 0 0 n m ，并且外观形状灵活多 变等特点，现在已经广泛用于各种摄像机，传真通讯系统，工业检测与自动控制，光 电检测，图像识别，医疗仪器，军事等。 4 3s 3 9 0 1 - 2 5 6 l v f 驱动电路 $ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 的管脚排列图如图4 - 1 0 所示，其中中。、m 2 是用来操作m o s 移位 寄存器的时钟方波信号：中。是使m o s 移位寄存器开始工作的起始脉冲信号；a c t i v e v i d e o 是视频输出信号，即是我们需要采集的信号：d u m m yv i d e o 信号有与视频 输出信号相同的结构，但由于它没有和光电二极管相连，所有只有输出尖峰噪声：、 3 9 浙江大学硕l 学位论文 第叫章$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 工作原理及驱动i 乜路 圪一k 。和n c 都接地；嬲，是扫描结束输出信号，输出的是负逻辑信号。 垆2 母1 廿s t v s s v s e a n c v s o d v s s c t i v ev i d e o d u m m yv i d e o v s u b 图4 1 0 管脚排列图 n c n c n c n c n c n c n c n c n c n c e n do f s c a n 对于$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 图像探测器所需的输入信号，我们是通过c 4 0 7 0 电路板实现 的。c 4 0 7 0 电路板是由控制信号发生器和视频信号处理器为基础组成的驱动放大电 路。其中控制信号发生器产生图像探测器和信号处理器所需的控制脉冲信号，视频信 号处理器完成电流积分，放大和d c 复位，这样才能输出一系列的脉冲信号。此电路 板需要外部供给+ 5 v 、1 5 v 和0 v 的电压信号，并且还需要主时钟( m a s t e rc l o c k ) 和主起始( m a s t e rs t a r tc l o c k ) 这两个方波信号，才能产生视频信号v i d e o 、触发信 号t r i g 和扫描结束信号e o s 。c 4 0 7 0 的原理框图如4 一l1 所示，控制信号发生器是由 p l d ( p r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 即可编程逻辑组成的，它产生m 。和中i 、2 这三个操 作移位寄存器的信号，它还为外部的采样保持提供触发信号。主起始和主时钟信号通 过一个缓存器输入到p l d 中，原来这两个信号可以通过滨松公司的c 4 0 9 1 产生，但 考虑到以下两个原因：( 1 ) 通过c 4 0 9 1 产生的主起始和主时钟信号的周期是通过 c 4 0 9 1 上的电位器手动调节的，这样就不利于计算机直接控制这两个信号；( 2 ) 用 c 4 0 9 1 会增加这个仪器的成本和体积。所以我们没有采用c 4 0 9 1 。 基于a d 卡的l e d 光谱特性参数测试仪产生这两路信号的方法是：选择带有3 路8 2 5 3 计数定时器的a d 卡，因为c 4 0 7 0 输出的视频信号要经过模数转换才能成为 计算机识别的数字信号，所以，利用a d 卡上的数模转换功能把视频信号转换成数字 信号，同时利用a d 卡上自带的8 2 5 3 产生c 4 0 7 0 需要的主时钟和主脉冲信号。然后 4 0 浙江大学硕十学位论文 第四章$ 3 9 0 1 2 5 6 l v ft 作原理及驱动电路 再将带有8 2 5 3 的a d 卡直接插在计算机的i s a 插槽里，从而可以通过计算机去直接 操纵8 2 5 3 ，从而实现探测器积分时间软件直接可调。但是，由于该a d 卡不是即插即 用的设备，需要编写专门的驱动程序，而且它占用的中断号固定，容易与计算机内已 有板卡的中断号相冲突，产生与计算机兼容性的问题。因此我们选用了利用8 9 c 5 1 单 片机做主控系统来控制可编程定时，计数器芯片8 2 5 4 产生这两路控制脉冲信号，直接 送入c 4 0 7 0 ，然后再由单片机控制a d 转换器将从图像探测器输出的模拟视频信号转 换成数字信号，整个过程，以单片机为核心控制单元，经过a d 转换后的数字信号暂 存到外部数据存储区，再分批通过串行通讯口送入p c 机进行数据处理和显示。这一 方案我们可以通过在计算机软机里设置积分时间，改变p 】t - 8 2 5 3 通道o 的o u t o 输 出，从而改变主时钟脉冲频率，这样就实现了用软件的方法改主起始脉冲信号的周期， 而主起始脉冲信号的周期即探测器的积分时间，这样也能实现探测器积分时间软件直 接可调，而且我们也还可以通过更换控制板上的晶振的频率来改变主时钟的周期。 图4 - 1 1c 4 0 7 0 原理图 4 l 浙江大学硕一l 学位论文第五章测试仪的碰什系统设计 第五章测试仪的硬件系统设计 5 1 测试仪的总体结构 被测量的l e d ( 视为近似点光源) 光谱辐射经光学准直系统变成平行光，直接入 射到光学色散系统( 线性可变滤光片l v f ) 上时会自动分光，再经过m o s 线阵探测器的 光电转换，就可以得到待测发光二极管按波长分布的光谱辐射相应的电信号。探测器 在驱动放大电路c 4 0 7 0 及其脉冲发生电路( 即控制信号产生电路) 的驱动下工作，其输 出的由光信号转换成的电信号a c t i v ev i d e o 经驱动放大电路c 4 0 7 0 电流积分、放大 和d c 复位后输出d a t av i d e o 信号，该v i d e o 信号再经a d 转换器转换成数字信号， 单片机再将数字信号存入数据存储区，当将m o s 线阵探测器2 5 6 个像元的信号转换完 后，再将所有暂存在数据存储区的2 5 6 个像元的数字信号经单片机的串行通信1 3 发往 计算机，计算机再进行相应的数据处理后就可以得到待测l e d 的光谱辐射能量分布曲 线。由于整个信号的转换、传送、处理的过程很短暂，经实验验证，能够满足我们的 实时测量要求。l e d 光谱特性参数测试仪的总体硬件连线框图如图5 - 1 所示。 图5 - 1l e d 光谱特性参数测试仪总体i 受件迁线框图 5 2 单片机系统资源分布情况 为了对系统的硬件部分做更具体的说明，更加明确作为控制核心的微控制器 8 9 c 5 1 的作用，在此对它的系统资源的分配情况作一总结： 地址总线：p 2 口作为高八位，f o 口分时复用为低八位，共十六位。形成地址空 问o x 0 0 0 0 h 一o x f f f f h 共6 4 k 空间，配厶p s e n 区分为数据存储器( 丽= 1 ) 或 浙江大学硕十学位论文 第五章测试仪的硬件系统设计 程序存储器( p s e n = 0 ) 的地址空间。其中作为程序存储器地址用时，还可以配合e a 选择低4 k 的存储空间是在单片机片内( e a = 1 ) 还是片外( e a = o ) 。p 2 7 接p i t - 8 2 5 4 的地址选通引脚c s ，因此，p i t - 8 2 5 4 的地址为7 f f f h 。 数据总线：p o 口的八位。 通用i ( 3 口：p i 口，其中p i 4 按p i t - 8 2 5 4 通道0 和通道l 的g a t e 控制端，作 为控制8 2 5 3 输出的相位同步信号；p 1 5 接c 4 0 7 0 的2 5 6 个像元扫描结束信号7 e o s ， 作为每一个周期2 5 6 个像元采样的同步信号： p 3 口可作为一般的i o 口使用，在这里主要用作串行通信的数据发送接口p 3 0 ( r x d ) 及数据接收接口p 3 1 ( t x d ) ，外部中断0 请求输入端p 3 2 ( i n t o ，这里被 用于a d 转换结束的状态指示) ，c 4 0 7 0 的触发信号t r i g 反向后接p 3 3 ( i n t l y 输入端， 作为每一个像元信号a d 转换开始的启动信号，写选通p 3 6 ( w r ) ，读选通p 3 7 ( r d ) 等。 存储器地址空间分配： 程序存储器：6 4 k ( o x 0 0 0 0 h _ o x f f f f h ) ，其中低4 k ( o x 0 0 0 0 h - 0 x 0 0 f f f h ) 被 固定于c p u 内部，其它分配给e p r o m 2 7 5 1 2 。 数据存储器：r a m 芯片6 2 2 5 6 分配3 2 k ( 0 x 8 0 0 0 h 0 x f f f f h ) ，a d 5 7 4 分配三 个地址号，它们是启动地址0 x 4 0 0 0 h ，高八位地址0 x 4 0 0 2 h ，低四位地址0 x 4 0 0 3 h 。 在这里我们把每个像元信号a d 转换后的数据都预先暂存在o x s o o o h o x f f f f h ，由 于2 5 6 个像元将有2 5 6 x 2 = 5 1 2 个8 位1 6 进制的a d 转换数据，因此，存储空间在 0 x 8 0 0 0 h - 一o x 8 1 f f h 连续的5 1 2 个数据存储单元。 5 3 测试仪的控制系统 5 3 1 控制信号的硬件实现 测试仪控制系统的主要功能是产生主起始和主时钟这两个方波脉冲信号，而且要 使这两个方波脉冲信号的周期可以通过计算机软件来进行设定。控制系统主要由单片 机( 8 9 c 5 1 ) 和具有3 个独立的1 6 位计数器通道的p i t - 8 2 5 4 组成。它是由8 9 c 5 1 作 为主控部分，用8 2 5 4 可编程定时计数器来产生驱动放大电路c 4 0 7 0 的两路方波脉冲 4 3 浙江人学硕i 学位论文 第五章测试仪的硬件系统设计 信号。主时钟信号是起剐同步电路和m o s 移位寄存器的作用，该信号是规则的方波 信号( 占空比为5 0 ) ，主起始信号是起到初始化电路和m o s 移位寄存器的作用，该 信号也是方波信号，但占空比要根据主时钟信号的周期和探测器来决定，要求高电平 的时间间隔周期为主时钟脉冲的个周期，低电平的时间间隔必须持续到2 5 6 个像元 都扫描完毕。 图5 - 2 产生控制信号的线路原理图 图5 2 是控制信号产生电路系统的接线原理图，即单片机、p i t - 8 2 5 4 和c 4 0 7 0 的 接线原理图。因为主起始和主时钟这两路信号在时序和相位上需要满足c 4 0 7 0 规定的 时序要求，而g a t e 可以控制p i t - 8 2 5 4 的o u t 输出，所以，8 2 5 4 通道0 和通道1 的 g a t e 端输入接单片机的p 1 4 ，作为控制8 2 5 4 输出的相位同步信号：单片机的p 1 - 5 接c 4 0 7 0 的2 5