（等离子体物理专业论文）标准发光二极管（led）的测定及研究.pdf

论文题目：标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究 迸涯曼盟明工狸系笠富王住物理专业 2 0 0 6 届研究生医题指导老n i 塞竖态副塾援 摘要： 发光二极管( l e d ) 取得了重大的发展，但是由于l e d 的特殊性，至今国内外尚 未建立起一套比较完善的l e d 相关的测量标准。基于此，本论文有针对性地作了l e d 总光通量的相关测定和研究。 首先，本论文探讨了l e d 总光通量常规的积分球相对比较法测量。在讲述积分球 分光光度法测量原理的基础上，通过温度和不同放置方向对被测l e d 总光通量测量结 果影响的两个实验及比较不同单位对于相同l e d 产品所得到的不同测量结果，发现传 统积分球法测量的不足。因此，有必要寻求一种新的、更好的测量方法。 接下来，我们利用l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪进行l e d 相关参数的 绝对测量。在得到计算l e d 总光通量所必须的被测l e d 轴向光强和其空间光强分布 的基础上，通过设计程序并进行相关的计算，得到l e d 总光通量的数值。 再接下来，我们利用l a b s p h e r el e d 11 0 0 按照一定的筛选标准进行标准l e d 的相关选定和总光通量的计算。 最后，也是最关键的，就是把我们建立的标准l e d 库重新引入到采用积分球法测 量普通l e d 总光通量中作为标准参考l e d ，实现我们测定标准l e d 的最终目的。 关键词：标准发光二极管( l e d ) 、l e d 测量 分类号：t n 3 0 7 论文题目：标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究 迷遂皇盟明工程系笠直王佳塑理专业 2 0 0 6 届研究生医题指导老师：塞贤盔副熬援 a b s t r a c t ： l i g h t e m i t t i n g d i o d eh a sg o ti m p o r t a n td e v e l o p m e n t ，b u tb e c a u s eo fi t s p a r t i c u l a r i t y ，s t a n d a r d so fl e d sm e a s u r e m e n th a sn o tb u i l tu pt i l ln o wa r o u n d t h ew o r l d b e c a u s eo ft h i sr e a s o n ，i ti sn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tf o ru st o m a k es o m em e a s u r e m e n t sa n dr e s e a r c h e sa b o u tt h et o t a ll u m i n o u sf l u xo fl e d a tf i r s t ，w ed i s c u s s e dt h et r a d i t i o n a li n t e g r a t i n gs p h e r er e l a t i v em e t h o d f o rt h em e a s u r e m e n to fl e d st o t a ll u m i n o u sf l u x o nt h eb a s i so ft h e i n t r o d u c t i o no ft h em e a s u r i n gp r i n c i p l e ，w ed i dt w oe x p e r i m e n t st of i n dt h e t e m p e r a t u r ea n dt h ed i r e c t i o nt h a tt h el e di sp u ti n f l u e n c et h er e s u l to ft h e m e a s u r e m e n t s o ，i ti sn e c e s s a r yf o ru st of i n dab e t t e ra n dn e wm e a s u r i n g m e t h o d t h e n ，w eu s e dt h el a b s p h e r el e d 一11 0 0s p e c t r u m a n 9 1 ea n a l y z e rt om a k et h e a b s o l u t em e a s u r e m e n t so ft h ep a r a m e t e r so fl e d b ym e a n so ft h ei n s t r u m e n t ， w eg o tw h a tt h et o t a ll u m i n o u sf l u xc a l c u l a t i o nn e e d e d ，a n dd e s i g n e dap r o g r a m t oc a l c u l a t et h ev a l u eo fl e d sl u m i n o u sf l u x t h e n ，w ea l s ou s e dt h el a b s p h e r el e d i1 0 0s p e c t r u m a n g l ea n a l y z e rt op i c k o u tt h es t a n d a r dl e da c c o r d i n gt os p e c i a lr e q u i r e m e n t s a tl a s t ，t h em o s ti m p o r t a n t ，w ei n t r o d u c e dt h es t a n d a r dl e d1i b r a r yi n t o t h et r a d i t i o n a li n t e g r a t i n gs p h e r em e a s u r e m e n t sa st h er e f e r e n c es t a n d a r dl e d t or e a l i z et h ef i n a la i mo fo u rr e s e a r c h k e y w o r d ：s t a n d a r dl i g h t - e m i t t i n g d i o d e ( l e d ) ，l e dm e a s u r e m e n t s 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日| 大学硕十学位论文 引言 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，简称l e d ) 自从1 9 6 8 年美国孟山都公司 第一次向市场推出了磷砷红色l e d 并得到广泛应用之后，黄、绿、橙、黄绿、 橙红、紫色l e d 相继面世。2 0 世纪8 0 年代初蓝光l e d 应运而生，并迅速向高 亮度化发展。继蓝光l e d 后白光l e d 又崭露头角并迅速得到运用，备受人们的 青睐。二十一世纪，l e d 被广泛应用于l c d 背光照明、汽车照明、台灯、手电 等领域，这也是为什么把l e d 列为继白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯之后 “第四代光源”的重要原因，纵观已取得的成绩和广阔的发展前景，誉为“二十 一世纪新光源”的确是实至名归。 与白炽灯、荧光灯等传统光源相比，发光二极管( l e d ) 产品具有寿命长、光 效高、功耗低及便于维修等优点，因此目前全球生产和使用l e d 呈现急速上升 的趋势。随之而来的，就是对l e d 性能的测试和评估逐渐被提上日程。 在本论文中，首先探讨了l e d 总光通量常规的积分球相对比较法测量。在 讲述积分球分光光度法测量原理的基础上，通过具体的实验探讨影响测量结果的 因素及通过比较不同测量单位对于相同l e d 产品测量所得的不同结果，发现传 统积分球法在精确测量l e d 光通量中的不足。 积分球法光通量相对测量结果上的不确定性，使得我们尝试从光通量的绝对 测量方面寻找精确测定l e d 光通量的途径。我们利用了l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪，分别进行了以下两方面的实验： 1 通过光谱测量，测定被测l e d 轴向光谱辐射强度( 单位：g w ( s r n m ) ) ， 并以特定光谱文件的形式存储输出。根据光谱辐射强度与光强之间的计算关系， 通过简单计算就可得到被测l e d 轴向光强的绝对数值。 2 进行角度测量，测定被测l e d 某平面上空间相对光强分布( 配光曲线) ， 亦可以特定的文件形式存储输出。结合由光谱测量并经过计算得到的轴向光强数 值，就可以得到被测l e d 空间光强分布。而当知道了被测l e d 空间光强分布后， 只要对l e d 周围空间全角度积分就可以获得其光通量的具体数值。 测量原理明确后，接下来的就是相关的计算过程。这里，我们通过编写软件， 利用相应的公式计算，即可得到被测l e d 的总光通量。 l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪亦在评定标准参考l e d 的过程中 发挥作用。作为标准参考光源的l e d ，它的几何对称轴和光学对称轴必须一致， 而它的光辐射输出必须绕几何对称轴旋转对称等的要求，我们都可以通过 l e d 1 1 0 0 进行相关的检测评定。 i t , 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复黾大学硕士学位论文2 本论文中关键的，是把由l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪测量、 评定+ 软件计算的方法已确定总光通量大小的标准l e d ，重新引入到采用积分 球法来测定被测l e d 的光通量。对应不同类型、不同色温的被测l e d ，分别从 l e d 标准库中选择相同规格，相同颜色和相近光束角的标准l e d 作为标准光源 进行被测l e d 总光通量的相对测量。 至此，完成了本论文、也即实现了测定标准l e d 的最终目的。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究 复日i 大学硕士学位论文 第一章光通量测量方法研究 光通量参数是描述光源特性的重要参数，也是本论文论述的中心。测量光源 所发射的总光通量中有两种方法： 其一，是在积分球内利用已知光通量的标准灯与待测灯作比较测量，从而定 出待测灯的光通量； 其二，是通过测定待测灯在空间各个方向的光强分布，再通过光强、光通量 关系公式的计算进而得到其光通量，即所谓的分布光度法。 关于l e d 总光通量的测量，同样有着不同的方法。 1 1 l e d 光通量的积分球法测量( 光谱光度法) 积分球 积分球测量光源总光通量系统连接框图 复旦实验室l e d 光通量积分球测量系统的连接指示框图如上所示。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究 复日大学硕十学位论文 4 1 1 1 测量原理 目无，征珀际增电流影啊阴i u 堤p ，征枞分琢球心处先后点竞标准幻和被测 灯，将积分球窗口出射的光送入单色仪分光。在各个波长上，可以测量得到待测 灯和标准灯电流的比值詈箔，然后由标准灯的光谱功率分布气，求出待测灯的 光谱功率分布厶：吮= 嚣若气 由计算公式：。= k 。e 只y ( 五) 砘z ，对标准灯和待测灯分别有： t 7 8 0 中一2 k mj 舯气矿( 五) 枞 m ，= 如气矿( a ) 以= 如e 揣气矿( 五) 砌 测量时，我们测定的是标准灯和待测灯的相对光谱功率分布。设标准灯的相对光 谱功率分布为瓦，吮与绝对光谱功率分布吮之间相差常数k 倍，则咒= k 戌。 代入上面式子，可以得到： 一帅 o ，。脒一j s o 民矿( 五) 以 q = 砜e 睃y ( a ) 以= 砜嚣筹秘矿( a ) 以 瞅e l v ( t ) a t 取上两式之比，可得到：中，= 兰弩挈善中， 测量系统在测得詈后，瓦和啦也已知的情况下，通过上式的计算，就 可获得被测灯的光通量西，。 以上就是光源光通量测量的积分球光谱光度法原理，这也是本实验室l e d 光通量积分球测量系统的工作原理。 有必要对我们的l e d 光通量的实验室测量仪器和环境也作一下简单介绍。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究 复且大学硕士学位论文 1 1 2 实验室测量仪器与环境 1 实验室保持恒定温度：2 4 c 。 2 光通量标准灯：6 w 1 0 w 的立式卤钨灯，温度2 4 c ，湿度6 0 ，标准电流 1 4 3 9 5 a ( d c ) 、标准色温t c = 2 8 5 6 k ，标准光通量= 7 5 0 1 m 。 3 测量用积分球：巾1 0 e m 、0 2 0 c m 、巾3 0 c ml e d 测量专用积分球。 4 分光系统：c c d 快速光谱仪系统及相关软件。 测量系统设备连接实图： 整个测量系统由l e d 测量专用积分球，探测器，单色仪，恒流源，信号采 集卡和计算机组成。 依照l e d 功率的不同，我们采取在不同的积分球内进行相关的测量，进行 待测l e d 测量前进行了测量系统的调试，消除暗电流影响后，用标准灯进行了 定标。 下图为实验中采用的不同直径的l e d 测量专用积分球，被测l e d 安置在积 分球的球心处进行相关测量。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日i 大学硕十学位论文6 同时，为了提高l e d 工作电流的显示精度，在电源供给线路部分添加了自 制的增加电流显示位数的电子数字显示( 如下图所示) 。当单刀双掷闸刀断开时 显示l e d 的工作电流值，闭合于标贴的v 侧时显示的是l e d 的工作电压值。 选用的数字面板表，可以进行4 位半显示，保证小数点后四位，这为实验中l e d 工作电流的高精度调节和精度读取打下良好的基础。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日i 大学硕士学位论文7 光通量中显示如下图： 在上图实验室测量系统控制软件的截图下划红线处，我们可以直接从该位置 读取被测光源的光通量数值。 积分球光谱光度法作为常规的测量方法，在测量光源总光通量的时候发挥了 非常重要的作用。但是，l e d 光源具有方向性强、色温相差大、相对光谱功率 分布差异明显等诸多特点，对光通量的积分球相对法测量提出了新的要求，若还 是按照常规光源积分球光谱光度法进行测量，误差将会比较大。请看下面的两个 实验及相关单位对于相同l e d 总光通量测量结果的数据比较。 1 2 实验1 温度对l e d 光通量输出的影响 目的：查看p - n 结温度对l e d 光通量输出的影响，通过本实验对温度与l e d 光 通量输出之间的关系有直观的了解。 我们选用了2 类l e d 产品进行了研究，一类是黄色小功率l e d ，另一类是 白色高功率l e d ，标称的工作电流分别为2 0 m a 和3 5 0 m a ，实验时被测l e d 严 格控制在标称的工作电流下进行总光通量的测量，环境温度为1 1 。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复巨大学硕士学位论文 如上图所示，左侧为黄色小功率l e d ，右侧为白色高功率l e d 。 温度测量仪器：d m 6 8 0 1 a 接触式数字温度计。 考虑到l e d 管脚处温度高，数据变化比较明显，所以起初准备测量l e d 管 脚处温度的变化与该l e d 总光通量的变化关系。不过又考虑到我们的温度测量 仪器金属部分可能会对l e d 的正常工作产生影响从而降低测量结果的稳定性和 可靠性，最后决定测定待测l e d 正常工作后其环氧树脂封装顶端处温度的变化， 并且记录测量温度值及相应的l e d 光通量由本测量系统的软件控制端直接读取 并做记录。 实验中，采取了对单一l e d 进行多次测量的方法，然后把记录结果按照温 度的升高做了适当的排列，去除了个别数据明显有问题的记录点。 1 2 12 0 m al e d 记录数据： 记录号温度( )光通量( 1 m ) 11 1 41 5 21 2 71 5 31 3 31 5 标准发光二撒管( l e d ) 的测定及研究复旦大学硕十学位论文9 41 3 41 4 51 3 91 4 61 4 21 4 71 4 21 4 与上表对应l e d 的温度一光通量关系变化趋势经过直线拟合后如下图所示： 光通量( 1 m ) 因为测量系统总光通量输出格式的限制，光通量输出只显示了小数点后一 位。虽然温度跟光通量的变化因为测量l e d 功率比较小的原因变化范围不是很 大，不过从表格中的数据变化及光通量一温度图仍不难发现l e d 总光通量输出随 温度的变化关系及趋势，随着温度的升高，造成了光通量的损失。 对于我们测量所采用的2 0 m a 绿色l e d ，光通量随着温度的升高呈现出了下 降的趋势；又从同类2 0 m a 的其他l e d 测量结果来看，从l e d 正常工作开始，随 测量的l e d 不同，光通量随温度上升的下降速度及下降幅度虽不尽相同，不过自 l e d 正常工作测量起，到最终l e d 差不多达到温度平衡、光通量几乎无变化时看， 随着温度不同程度的升高，各被测l e d 的光通量都发生了不同程度的下降。 1 2 23 5 0 m al e d 记录数据： 记录号温度( )光通量( 1 m ) 12 54 1 9 22 5 4 0 3 32 54 0 9 - 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复臣大学硕+ 学位论文1 0 4 2 64 1 8 52 83 9 9 63 03 8 2 73 03 8 4 8 3 l 3 8 o 93 l3 7 8 l o3 23 8 0 1 1 3 23 7 3 1 2 3 5 3 7 4 1 33 53 7 1 1 43 83 6 7 1 53 83 6 2 1 6 3 9 3 6 4 1 74 03 6 7 1 84 03 6 2 1 94 23 5 8 2 0 4 2 3 6 1 2 14 23 5 5 2 24 23 5 8 2 34 23 6 o 上表相应的3 5 0 m a l e d 温度一光通量关系变化趋势经过拟合后绘制如下： 光通量( 1 巾) ( ) 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究 复巨大学硕十学位论文 换用功率较大的3 5 0 m al e d 后，光通量随温度的数值变化相对测量较小功率 l e d 来说变化程度有了较大范围的增加，温度一光通量关系图中比较明显得显示 出l e d 总光通量输出随着温度的变化趋势。 从上图可以看到，与2 0 m al e d 情况比较类似， 3 5 0 m al e d 的光通量随着温 度的升高也呈现出了下降。 1 2 3l a m i n a5 5 0 0 kb l 一4 0 0 0 白色l e d 光通量v s 结温的关系图： l a m i n a 公司也进行了其产品b l - 4 0 0 0 白色l e d 光通量输出跟节点温度之间 变化关系的相关研究。发现其产品b l 一4 0 0 0 白色l e d 的光输出与前述实验结果 很吻合，l e d 光输出会随着节点温度的升高而降低，同时发现这种效果在5 8 0 h m 到7 8 0 n m 之间的范围内会更加明显。所以，对于大功率l e d 产品来说，为了保证 其有最大( 或最佳) 的光输出，必须要有最优化的散热设计，尽可能地把l e d 内部p - n 节点温度保持在较低的状态。 实验1 小结： 通过对本实验中2 0 m a 和3 5 0 m a 的两类随机选择的l e d 产品光通量跟环氧树 脂表面温度的变化趋势关系的实验研究结合l a m i n a 公司对其b l 一4 0 0 0 白色l e d 光通量输出跟节点温度之间变化关系的相关研究发现： 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复黾大学硕十学位论文 1 l e d 环氧树脂封装表面温度，作为表征l e d 内部p n 结温度的外部表现， 从被测l e d 点燃开始的温度升高过程中，该l e d 光通量的输出也发生了或多或少、 但相对明显的降低。l e d 内部p n 温度的升高导致了l e d 光通量输出的减少。 在l e d 相对光谱功率分布图上的直观表示就是随着l e d 点亮时间的增加，相 对光谱功率分布曲线发生了变化，趋势如下图所示： l 0 0 0 0 9 0 0 0 8 0 0 o 7 0 0 o ，6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 o 3 0 0 0 2 0 0 o 。1 0 0 o o o o 4 弧 ，强 ，、 ，、 ， ， 、 、 1 上图粗实线表示的是l e d 点亮后测量得到的相对光谱功率分布曲线，细实线 表示是l e d 点亮1 分钟后的测量结果，而虚线表示的是l e d 点亮3 分钟后的测量 结果。而事实上从测量结果看，不仅仅是l e d 的光通量发生了减小，主波长也发 生了微小的偏移，对于我们所测量研究的上图所对应的绿色l e d 来说，主波长向 长波方向发生了0 6 r i m 的偏移量。 我们知道，l e d 内部的热量主要通过环氧树脂封装和电极管脚发散出去，点 亮一段时间后，被测l e d 封装内部与外界周围空间达到一个相对热平衡，光通量 也出于一个相对稳定的输出状态。其实，也正是说明了我们在进行l e d 光学测量 包括光通量测量的时候，必须要考虑到环境温度对于l e d 光通量输出的影响。因 此，实验室积分球法进行l e d 光通量测量时，环境温度不仅仅要恒定而且必须处 在一个统一的温度条件下。 2 l e d 测量专用积分球内部空间相对狭小，由于被测l e d 长时间的点亮很 可能就会造成积分球内部温度的升高。所以，对于l e d 这种对温度相当敏感的光 源来说，更不能在封闭的积分球内进行长时间的点亮测量，因为这不仅会影响到 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复巨大学顽 _ 学位论文 测量结果的可靠性，特别的，若我们进行测量的是大功率大发热量的l e d 的话， 可能就会破坏积分球内部涂层等测量环境，使得测量结果发生二次偏差。 综上，l e d 测量时温度影响无疑明显地造成了l e d 光通量结果的不确定度， 也是造成各种情况下相同l e d 却存在不同程度差异测量结果的重要原因之一，同 时也造成了积分球连续测量下的结果重复性比较差，具体操作时要充分考虑并尽 量降低温度对于测量结果的影响。 1 3 实验2l e d 放置方向对其总光通量测量结果的影响 目的：检验被测l e d 放置方向是否对l e d 总光通量测量结果存在影响及影响的 大小。 说明： 1 本实验中，选用了3 类l e d 产品进行了相关方面的测量、研究，除了实 验l 中工作电流分别标称为2 0 m a 和3 5 0 m a 的l e d 外，又增加了由实 验室工程师测定的另一白色l e d 作为结果的比较。 2 本实验中，我们未设置l e d 出射光的方向为下，该处是l e d 电极管脚 连接电源连线及支柱的位置所在，反射性能欠佳，这样的测量情况无疑 会影响测量的结果，故在该方向上虽进行了l e d 光通量的测量，但未在 表格列出。 实验中，我们测定了按照不同方向放置的待测l e d 达到稳定后其光通量大 小，记录这时l e d 光通量的数值，观察分析数据察看l e d 放置方向对于其总光 通量输出是否存在影响。光通量的记录数据同样是由本测量系统的软件控制端直 接读取并做记录。 积分球放置：探测器所在窗口在测量者所面对积分球的正背面。 定义l e d 的放置方向： 上：l e d 机械轴垂直，l e d 光出射方向向上。 左：l e d 光出射方向向左。 右：l e d 光出射方向向右。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复旦大学硕十学位论文 1 4 前：l e d 光出射方向向观察者方向。 后：l e d 光出射方向背观察者方向，向挡屏方向。 1 3 12 0 m a l e d 记录数据： 说明：实验时对同一种放置方向采用了多次测量记录的方法，最后取平均值填写 入表格。 测量用积分球：中1 0 c m 的l e d 测量专用积分球。 1 2 3 平均值 上 1 41 41 41 4 左 1 4 1 4 1 41 4 右 1 41 41 4l4 前 1 4 1 4 1 41 4 后1 31 31 31 3 从测量结果来看，因2 0 m a 的l e d 其光通量输出比较小，再加上光通量记录 源，即软件光通量输出只保留了一位有效数字，导致了数值变化偏差较小，无法 非常明确地判断哪个方向放置时光通量最大，不过从上表中还是能够发现，面向 后放置，即l e d 光输出方向当面对挡屏的时候我们得到了相对最小的总光通量。 1 3 23 5 0 m al e d 记录数据： 说明：实验时对同一种放置方向采用了多次测量记录的方法，最后取平均值填写 入表格。 123平均值 上3 3 23 3 23 3 2 3 3 2 左3 7 43 7 33 7 43 7 4 右 3 6 13 6 13 6 03 6 1 刖 4 2 44 2 54 2 54 2 5 后1 8 41 8 4 1 8 4 1 8 4 3 5 0 m a 的l e d 测量结果比较2 0 m al e d 的变化情况相对明显很多。从测量结 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复黾大学硕 学位论文 果列表可以看出，被测l e d 不同放置方向使得我们测量得到的l e d 光通量测量结 果影响很大。表格中看到，面对挡屏情况下的总光通量测量值最小，而面向前的 测量所得数值最大。 1 3 3 测量3 实验室参考数据 数据表格： 工作电流：直流3 5 0 m a 电流光通量 光效( 1 m w )色温( k ) 显色指数 方向 ( a ) ( 1 m ) ( r a ) 10 3 5 03 8 33 1 26 1 2 97 7 。0 左 2 0 3 5 03 5 43 4 6 6 0 1 5 7 6 6右 30 3 5 03 9 33 2 06 1 3 37 7 o上 40 3 5 04 3 23 5 36 3 7 07 7 7 后 从本次测量记录的数据表格来看，l e d 测量时的放置方向不仅影响到了光通 量的具体数值，而且对于光效、色温、显色指数等的测量计算值也产生了或多或 少的影响。 实验2 小结： 通过以上三个实验，我们很明显地看到了对于同一l e d ，当我们在相同的积 分球球心位置但沿不同方向放置下的测量结果存在着相当明显的差异，实验结论 也毫无疑问地指出了测量时的放置方向对于l e d 光通量的测量结果有着非常明 显的影响。 本次实验，我们关注的倒不是在哪个方向可以得到光通量最大值，这不是本 论文讨论的目的，而是想通过本实验发现l e d 测量时的放置方向是否的确会对光 通量的测量造成较大影响而令我们l e d 在不同放置方向条件下的相关测量结果 没有可比性。实验结果反映了这样的变化，功率越大的l e o 其光通量随其测量时 的放置方向在数值上的变化相应也越明显。 所以，在积分球法l e d 光通量测量时，我们必须要对l e o 的放置方向做一明 确的限定，这样的测量结果才具有可比性，单单两个光通量的简单比较没有太大 的意义。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日大学硕十学位论文 1 6 从上面的两个实验，我们可以很清楚地认识到环境温度和l e d 放置方向对于 l e d 光通量的测量结果会产生很明显的影响，在不考虑其他干扰因素的情况下， 作为实验室l e d 光通量测量条件的：环境温度和l e d 放置方向必须有一个明确的 限定或说明，两者或两者之一的不同，会使得测量结果发生很大的偏差。 在同一上面所述的测量系统及环境下，对同一l e d 采用积分球相对测量法进 行光通量测量所得到的结果受到了诸如温度，积分球内l e d 的放置方向等的影 响。那么不同测量单位对于相同l e d 的测量结果情况又如何呢? 请看下面三个测 量单位对相同l e d 光通量测量结果的比较。 1 4 三家单位l e d 总光通量测量结果的比较 1 复旦实验室测量 我们采用前面实验l 和实验2 相同的实验室测量系统，分别对由华刚提供的 五种l e d 产品( g # l 、b # 1 、r # 1 、w # 1 、y # 2 ) 进行了光通量的测量。 光通量分别采样1 0 次，数据直接从测量系统软件显示器输出读取，去掉最 大值和最小值，然后取平均值填入表格。 复旦实验室测量l e d 光通量的结果数据记录( 单位：流明) ： 电流控制：2 0 m a l e d 种类平均值 g 撑1 1 0 5 7 b 拌l0 6 7 2 i w l0 8 6 9 w # 11 1 7 7 y 群21 7 3 4 2 惠州华刚公司( c o m ol u m i n a n td e v i c e ( h u i z h o u ) l t d ) 提供的数据 测量设备：c a s l 4 0 bc c d 光谱角度分析仪 华刚提供的l e d 光通量的测量数据记录( 单位：流明) ： 电流控制：2 0 m a 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复黾大学硕e 学位论文 1 7 l e d 种类平均值 g 拌10 8 3 6 2 b 撑10 4 7 7 9 i 搿1 0 6 7 1 4 w # l0 8 3 6 1 y 群21 1 5 6 3 申越公司提供的数据 申越提供的l e d 光通量的测量数据记录( 单位：流明) ： 电流控制：2 0 m a l e d 种类平均值 g 群l0 9 2 0 5 b 撑l0 5 4 7 5 r 撑10 7 2 8 0 w # l 1 0 1 4 0 y 撑21 7 0 1 4 我们把三家单位的对应的同一l e d 产品光通量结果进行汇总比较，如下表所示： ( 光通量单位：流明) 类型 华刚申越复旦华刚v s 申越华刚v s 复旦 g 拌10 8 3 6 20 9 2 0 51 0 5 70 0 8 4 30 2 2 0 8 b 拌1 0 4 7 7 90 5 4 7 50 6 7 20 0 6 9 6 0 1 9 4 1 r 撑1 0 6 7 1 40 7 2 8 00 8 6 90 0 5 6 6o 1 9 7 6 w # l0 8 3 6 11 0 1 4 01 1 7 7o 1 7 7 9- 0 3 4 0 9 y # 21 1 5 61 7 0 1 41 7 3 40 5 4 5 40 5 7 8 l 申越v s 笤日 o 1 3 6 5 o 1 2 4 5 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究 复日大学硕l 学位论文 将实验室积分球测量法测量得到的各种l e d 光通量的数据与华刚及申越测 量所得数据经过列表综合比较后不难发现，三家在结果上存在着或大或小的差 异。如果仅仅从结果上看，结果却很有意思：华刚测量所得到的相应l e d 光通 量数值在三家中普遍地最小，申越居中，而我们在实验室中积分球法测量所得到 的结果相对最大。在个别l e d 上，如类型为y 撑的l e d ，华刚的测量结果在数 值上和申越及复旦实验室的测量结果差距非常明显。 上面我们所做的实验及数据比较及相关讨论中看到，传统积分球l e d 总光 通量的相对测量方法存在着许多这样那样的问题，如若要进行l e d 光通量的精 确测量，则有必要寻找一个测量l e d 总光通量新的、更好的方法。 标准发光- 二极管( l e d ) 的测定及研究复日大学硕士学位论文1 9 第二章绝对测量法并计算总光通量 第一章中，我们主要介绍了应用传统的积分球光谱光度法进行l e d 总光通 量的相对比较测量。l e d 的特殊性，使得其总光通量测量受到了多种因素的影 响，测量结果上也存在着较大的差异，各测量机构在测量结果上的差异也比较明 显地说明了这一点。在本章中，我们考虑换个角度，尝试采用新的方法实现对 l e d 总光通量的测量，这就是l e d 光通量的绝对法测量。 为了能更清楚明了地介绍本绝对测量方法，首先对所采用到的公式进行说 明。 2 1 本绝对法测量所使用到的公式 1 轴向光谱辐射强度一光强的计算公式： e 7 8 0 ，= 6 8 3 j 舯l ( 五) y ( 五) 以 式中， l 表示光谱辐射强度，单位：形( n m ) i 表示光强，单位：l m s r 6 8 3 是常数，单位：l m w y ( 五) 是无量纲的视觉函数。 通过本公式的计算，我们可以得到被测l e d 轴向的发光强度。 2 配光曲面计算总光通量公式： = p m = f ”却r ，( 庐，s i n o d o 式中， 中表示总光通量，单位：l m i 表示光强，单位：l m s r q 表示空间立体角，单位：s r 基于上面光强计算公式的计算结果，再结合测定的空间相对光强分布，然后 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复县大学硕，学位论文 通过本公式对全空间角度光强的积分计算，就可以得到被测l e d 的总光通量。 2 2 测量仪器介绍 在本l e d 总光通量绝对法测量过程中，我们使用了l a b s p h e r el e d 11 0 0 光谱角度分析仪。本测量系统包括l e d 11 0 0 基本组成( 主测量机箱) 和配套辅 助计算机，两者通过一r s 2 3 2 c 的输出接口相互相连。配套的辅助计算机安装 有基于w i n d o w s 的3 2 位应用软件，通过本软件，测量操作者可以设定工作电 流和控制数据的取得、处理、存储、结果的各种方式的显示和分析。 通过本测量仪器可以对被测l e d 的轴向光谱辐射强度分布和空间相对光强 分布( 配光曲线) 进行测定。 l a b s p h e r e l e d 一1 1 0 0 光谱角度分析仪测量系统如下图所示： 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日大学硕七学位论文2 1 l e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪功能简要介绍 光谱测量 角度测量 l e d - 1 1 0 0 光谱角度分析仪的基本组成 上图l e d - 1 1 0 0 仪器前面板中间两个孔径分别是光谱测量口和角度测量 口，l e d 测量最重要的两个部分光谱测量和角度测量就是分别在这里进行。 通过光谱测量口，我们可以测定光谱辐射强度等光谱相关的l e d 参数，而角 度测量口提供了与光辐射发射角度相关的l e d 相对空间光强分布的测定功 能。 2 3 测量步骤 1 光谱测量 通过l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪的光谱测量，我们可以得到描 述被测l e d 轴向特征的光谱辐射强度图( 如下图所示) 。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日大学硕士学位论文 测量得到的光谱辐射强度和波长的对应关系可以输出保存为l d d 文件。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复黾大学硕仁学位论文 2 角度测量 通过l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪的角度测量，我们可以得到描 述被测l e d 在某一参考平面( 初始平面是0 - o 。平面) 内的空间相对光强分布。 待测l e d 按要求正确安装紧固在插槽中，然后把插有待测l e d 的插槽对准 并安装入l e d - 1 1 0 0 仪器前面板上进行角度测量的孔径口，接着就可以通过计算 机软件控制l e d 1 1 0 0 测量系统就可以自动完成l e d 空间光强分布的测量( 如 下图所示) 。 被测l e d 的空间相对光强与角度的关系，可输出保存为l a d 文件。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日大学硕士学位论文 2 4 测量总结 通过l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪的光谱测量，我们就可以得到 描述被测l e d 轴向辐射特征的光谱辐射强度，通过本章前部理论公式部分提及 的公式1 ，即 j 柚 i = 6 8 3 l 。l ( 五) 矿( 五) d 兄 通过计算得到被测l e d 沿轴向的发光强度。 对同一被测l e d ，改换用l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 光谱角度分析仪的角度 测量，就测定了该l e d 几何对称轴所在某一参考平面内( 初始平面是0 = o 。平 面) 的空间相对光强分布。 以按照标尺上微小角度间隔，绕被测l e d 几何对称轴旋转l e d 所在圆柱型 插槽，分别记录该参考平面上的空间相对光强分布。当圆柱型插槽旋转满1 8 0 度的时候，通过各个参考平面内空间相对光强分布关系，确定被测l e d 周围全 空间的相对光强分布。由光谱测量得到的光谱辐射强度计算得到被测l e d 轴向 光强，结合空间相对光强分布，就可以确定整个参考平面沿各方向的光强确定数 值。这罩我们将用到本章前部理论公式部分提及的公式2 ，即 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复目大学硕十学位论文 巾= i l d g ) = f d e f i ( 妒，目) s i n o d o 基于上面的测量原理和结果，接下来将通过程序编写，计算得到被测l e d 总光通量。 2 5 程序设计 2 5 1 文件分析和创建 2 5 1 1 光谱辐射强度存储文件分析 为了对l a b s p h e r el e d - 1 1 0 0 光谱辐射强度进行读取，必须先对测试l e d 的 光谱辐射强度存储文件进行数据存储格式的相关分析。 某一l e d 光谱辐射强度存储文件l d d 结构图： 观察打开的诸多配光曲线存储文件的二进制形式后发现，存储文件的数据按 一定规律记录，文件开头是文件记录数扼和数据单元格内容名称，然后是扫描次 数记录，然后是各次扫描结果对应的波长及其该波长下的辐射强度值。 l a b s p h e r el e d 1 1 0 0 的控制软件中，可以设置对于光谱辐射强度的测量的 扫描次数，从1 次到1 5 次不等，扫描次数的多少根据测量的需要可做相应设置。 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日大学硕士学位论文 次数的增加可以有效消除偶然性因素对测量的影响，降低误差或差错的产生。 扫描次数不同，文件的记录格式也会有差异，文件大小也会发生相应的变化。 在程序设计中，文件的读取操作需充分考虑到着因为扫描次数的变化而导致读取 操作上的差异。 因此，在程序设计中，考虑专门设计扫描次数作为命令行参数，随l e d 光谱 辐射强度存储文件的不同，执行不同的操作。 2 5 1 2 配光曲线存储文件分析 为了了解l e d 整个空间的分布情况，必须也要对当i i 测试l e d 的配光曲线存 储文件的数据存储形式进行数据存储格式的分析。 观察打开的诸多配光曲线存储文件的二进制形式后发现，存储文件的数据按 一定规律记录，文件开头是文件记录数据和数据单元格内容名称，然后是扫描次 数记录。 l a b s p h e r e 仪器对于配光曲线的测量也有很强的灵活性，与硬件设备配套的 控制和应用软件中可以手工设置扫描待测l e d 光强分布的次数，具体数值也从1 次到1 5 次不等，扫描次数的多少根据测量要求做相应不同设置。次数的增加同 样可以有效消除测量偶然性和与时间( 比如可能的随着l e d 点燃时间的变长，l e d 芯片温度升高引起测量数据发生偏差的问题) 相关的误差或差错的产生。扫描次 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复日大学硕十学位论文 数不同，文件的记录格式也会有差异，文件大小也会发生相应的变化。在程序设 计中，文件的读取操作需充分考虑到着因为扫描次数的变化而导致读取操作上的 差异，在进行数据相关读取的过程中注意了这方面的变化。 因此，在程序设计时，同样专门单独把扫描次数作为命令行参数之一，根据 计算所运用到的l e d 配光曲线存储记录文件扫描次数的不同，执行相应的操作。 2 5 1 3 视觉函数v ( x ) 文件的建立 本程序设计中，视觉函数v ( 九) 将会在用光谱辐射通量求总光通量的程序中 被使用到。为了读取的连续性和方便性，按照光谱波长从3 8 0 n m 到7 8 0 r i m 的顺 序建立文件依次按照二进制方式写入相应的数据，在后面的程序计算运行时会被 多次访问并在计算l e d 轴向光强的时候调用到。 2 5 1 4 球带系数表文件的建立 一般l e d 产品，它的几何对称轴和光轴是不一致的，光输出不符合l e d 几 何对称轴的旋转对称，计算的时候不能选用对应轴对称情况下的球带系数计算方 法。 但是，作为参考标准光源的l e d ，根据c i e1 2 7 文件中的要求，它的光输出 必须是按照几何对称轴旋转对称的。也就是说，在l e d 经过老练各项输出达到 标准发光二极管( l e d ) 的测定及研究复巨大学硕士学位论文 稳定后，而该l e d 又通过检测光学输出符合几何对称轴旋转对称的前提下，才 能作为参考标准l e d 。光学输出不符合旋转对称的l e d ，在计算它的总光通量 时，必须严格按照把光强在三维空间微小立体角里进行积分才能得到具体数值。 我们现在要测定的符合标准l e d 条件的被测l e d ，它的光输出应完全符合 按集合对称轴旋转对称的要求，所以可以采用球带系数法进行总光通量的计算。 2 5 2 程序流程的模块组成 程序设计流程概要： 程序设计时，首