（机械电子工程专业论文）基于色度学的波长分级检测及自动分选系统研究.pdf

璺堡里：! 叁堂婴主堂垡丝苎 中文摘要 随着l e d 应用范围的扩大，用户对l e d 产品质量有了更高的要求，尤其 要求l e d 发光亮度和波长有一致性。如果l e d 亮度和波长不一致，做成大屏 幕l e d 彩色显示屏后，会使观众产生斑点或刺眼的感觉，严重影响l e d 显示 屏的质量，因此必须对l e d 单管进行分选。该项目主要是按用户要求，根据 l e d 单管的发光亮度和波长对l e d 进行分选，从而提高l e d 单管亮度和波 长的一致性，进而提高l e d 产品的质量和档次。 针对国内目前尚无l e d 在线分谱检测和自动分选系统，且按波长对l e d 进行分谱检测对精度要求较高，国内目前尚无解决方案，我们借鉴国外的先 进技术，利用色度学原理，通过检测被测l e d 的相对光谱分布求得三刺激值， 进而求得色品坐标，通过色品坐标可在色品图上找到相应点所对应的主波长， 即为被测l e d 之主波长，从而实现对l e d 波长的检测：利用距离平方反比定 律实现对l e d 亮度的检测：同时设计出l e d 在线分谱检测和自动分选系统， 该系统由二级管基本输出装置( 圆盘振动输送机、直线振动输送机) 、等间隔 喂入装置、检测系统和自动分选装置几部分组成。可完成l e d 波长和亮度的 在线检测、自动处理和自动分选，实现了l e d 在线分谱检测与自动分选的流 水线作业。基于色度学的l e d 分谱自动检测是本论文的重点，而自动分选系 统只作简要介绍，其实现是通过p c 与p l c 的结合完成对p l c 的顺序控制。 发光二级管分谱自动检测与分选设备经不断研制和完善后，可以逐步推 向市场，其市场前景可观。该设备的广泛应用可极大地提高我国l e d 质量和 档次。 关键字：发光二极管，色度学，色品 丛堡墨! 查堂堡主堂堡堡塞 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o no fl e d ，p e o p l er e q u i r et o p - q u a l i t yl e d ， e s p e c i a l l y i n w a v e l e n g t ha n dl i g h ti n t e n s i t y i t w i l la f f e c t q u a l i t y a n di n d u c e d a z z l i n gs i g h ti nl a r g ec o l o r d i s p l a yi fl e d sw a v e l e n g t ha n dl i g h ti n t e n s i t ya r e n o tm e a s u r e d ，s ow em u s ta c h i e v ea u t o m a t i cs e p a r a t i o no fl e d t h er e s e a r c ht a s k a c h i e v e so n l i n em e a s u r e m e n to fl e d sw a v e l e n g t ha n dl i g h ti n t e n s i t ya n da l s o i n c l u d i n ga u t o m a t i cs e p a r a t i o no fl e da c c o r d i n gt o u s e r s r e q u e s ti no r d e r t o i m p r o v et h eq u a l i t yo f l e d o w i n g t ol a c ko fa u t o m a t i cs e p a r a t i o no fl e di no u rc o u n t r y , w eb o r r o wi d e a s f r o mo t h e rc o u n t r i e sa n df i n dam e a s u r e m e n tt o c l a s s i f y t h el e d b y i t s w a v e l e n g t h ，w h i c hi s b a s e do nc o l o r i m e t r y as u i to fe q u i p m e n to fa u t o m a t i c d e t e c t i o na n d s e p a r a t i o no fl e di s a l s o d e s i g n e d t h ee q u i p m e n tc o n s i s t s o f s e v e r a lp a n s ：l e dt r a n s p o r t a t i o ns e t u p ( d i s cl i b e r a t i o ns e t u p ，l i n el i b e r a t i o ns e t u p ) ， e q u i d i s t a n tr e s e v i n gs e t u p ，d e t e c t i n gs y s t e ma n d a u t o m a t i cs e p a r a t i o no fl e d t h e e q u i p m e n ta c h i e v e sa u t o m a t i cs e p a r a t i o no fl e da n dp i p e l i n i n g t h er e s e a r c hl a y s t r e s so n c l a s s i f y i n gt h el e db yi t sw a v e l e n g t h m e c h a n i c a ls t r u c t u r a ld e s i g na n d o r d e ra c t i o nc o n t r o li st h eo t h e r p a r tw h i c h a c h i e v ea u t o m a t i o ns e p a r a t i o nb yu s i n g p ca n dp l c t h et r i e de q u i p m e n tw i l lb em a n u f a c t u r e da n db eo ns a l es ot h a tt h eq u a l i t yo f l e dw i l la d v a n c et oa h i g hp o s i t i o n k e y w o r d s ：l e d c o l o r i m e t r yc h r o m a t i c i t y 丛堡堡! ! 盔竺堡主堂垡堡墨 1 1l e d 发展展望 第1 章序论 按照美国光电子学长远战略规划负责人r o b e r ts t e e le 的说法，1 9 9 5 年 到1 9 9 9 年之间，高亮度发光二极管( l e d ) 的市场销售量平均每年增长5 3 7 ， 从1 9 9 5 年的1 2 亿美元增加到1 9 9 9 年的6 8 亿美元。而且到2 0 0 4 年可望达 到1 7 4 亿美元。今年二月份，在由该长远战略规划部门组织的有2 0 0 多位光 电企业界人士参加的l e d 商业机遇讨论会上，人们讨论了这些常规的和预计 的增长因素，同时还讨论了潜在的技术发展战略，这些将使l e d 市场的增长 指数超过现有的这些预见。 s t e e l e 说，和高亮度l e d 相对照，所有l e d 总的市场销售量在1 9 9 9 年是 2 3 亿美元，在过去的七年内，年平均增长率只有1 1 4 。在这2 3 亿美元的销 售量中，其中有1 5 亿美元的产品是单芯片器件，应用在各种尺寸、形状、颜 色、强度和安装方式的发光灯中。其余的8 亿美元的产品为多芯片器件，应 用在七段式或点矩阵式以及各种颜色组合的显示领域。2 0 世纪6 0 年代后期， 由于g a a s p 材料的发展，开始l e d 技术，当时其流明效率只有1 l m w 或更低。 到8 0 年代的中期，由于红色发光的a 1 g a a s 材料的进展，出现了高亮度的l e d ， 其流明效率提高了一个数量极。到9 0 年代初，使用i n g a a l p 材料，使发光颜 色由红外扩展到黄色，流明效率可达l o l m w 。到9 0 年代中期，使用i n g a n 材 料可制成蓝、绿和白色发光的器件，目前其效率可达每瓦几十个流明。 普通亮度l e d 市场萌生的最重要的标志就是巨幅的室外显示屏，它出现 在各种场合里，从日本的摇滚音乐会到纽约时代广场上建筑物的外观装饰。 从1 9 9 5 年开始，全色信号的l e d 市场几乎以每年7 8 的速度增长，到1 9 9 9 年， 其销售额已达到1 5 亿美元。在时代广场上的n a s d a q 大厦上，有一块创世界 纪录的l e d 显示屏，其面积约为3 5 m 4 5 m ，用来开展文娱活动和广告宣传， 由此可见l e d 市场的迅猛增长。 在l e d 的市场中，占最大份额的是各种信号符号的显示( 2 3 ) ，这主要 包括全色的露天显示，高速公路信号显示和各种交通信号显示。各种通信设 亟堡堡兰叁堂堡主堂堡堡墨一 备上的显示应用紧随其后( 占2 2 ) ，而微计算机和办公设备上的应用占2 1 。 其余的市场l e d 份额可分成消费市场应用( 1 5 ) ，汽车显示和照明应用( 1 1 ) 和工业设备的应用( 8 ) 。而且如人们所期望的，高亮度l e d 的市场仍l e t 潜伏 着种显著的低比例的潜在增长趋势，大约可由2 0 0 0 年9 亿美元的年销售量 增加到2 0 0 4 年的1 7 亿美元的年销售量，因还有一些未知的市场尚待开发。 l e d 在汽车工业中的应用己成为常规市场增长的主要焦点。用于汽车内部 装饰照明用的l e d 市场，从1 9 9 5 年始，每年增长9 5 ，到1 9 9 9 年已明显地超 过1 5 亿美元的产值，其中高亮度l e d 超过1 2 5 亿美元。 汽车上的外部照明应用主要是汽车尾部中间高位刹车指标灯，这种l e d 灯首次于1 9 8 8 年出现在e l 本的尼桑车上现在美国的采用了这种高位l e d 刹 车显示灯，欧洲有6 0 的汽车，e t 本有2 5 的汽车都采用l e d 刹车显示灯。其 市场的年增长率是因为有两个内在的因素：在过去的l o 年里l e d 的价格每年 都以8 到9 个百分点的幅度下降，此外l e d 的性能也得到不断的改善，这样 每一( 显示) 单元内所需要的芯片数是很少的。 另外，l e d 在交通信号显示方面的市场也很大，自1 9 9 4 年以来，其平均 年增长率超过了8 7 ，仅在1 9 9 9 年内，就采用了1 8 0 0 0 0 快l e d 交通信号显示 牌。在这方面仍存在着巨大的潜在增长趋势。目前，这一市场主要集中在较 为廉价的红色l e d 上，但绿色l e d 的价格已有了明显的降低，足以促进增加 市场需求，而且供需关系的协调可望会迸一步降低其价格。 l e d 在普通照明光源方面的市场机遇，可以很容易地使其他照明光源产品 遭受萎缩的境况。所有类型的照明灯( 包括白炽灯、荧光灯、卤素灯等等) 的市场销售量，仅在美国每年就超过3 0 亿美元，且年增长率为2 一3 ，全世 界的年市场销售量可达1 2 0 亿美元。l e d 若在普通照明市场范围内处于主导地 位，还需在三个主要方面进行改善： 1 成数量级地提高效率( 从目前白光l e d 的2 0 1 m w 提高到1 0 0 1 m w 以上) 。 2 显著地降低价格( 从目前l e d 的每流明0 3 5 美元降至每流明0 0 l 美 元，这和现有紧凑型荧光灯的价格相当) 。 3 l e d 的光源产品要和现有光源的插座装配方式完全相配、兼容。尽管 l e d 在普通照明光源领域成为一种有竞争里的产品之前，还需作出相当大的工 程努力和产品开发方面的投入( 估计需5 年- 1 0 年) ，但是由于技术上的不断 改进，l e d 在其他相邻领域内还有许多应用的可能存在。这包括装饰照明、建 塾堡堡：! ：叁堂堡堂垡堡苎 筑物照明、舞台照明、液晶显示背照明以及其他一些特殊的照明应用，如光 源难于更换的因素要优先考虑的场合以及l e d 的性价比可接受场合的照明应 用。另一个正在迅速发展的l e d 领域是有机发光二极管( o l e d s ) ，最初目的 是用于显示技术，很可能最终也会用于照明。目前，世界上已有8 0 多个企业 ( 仅同本就有5 0 多个) 都在从事着o l e d 显示器的市场销售额将从1 9 9 9 年的 零开始，到2 0 0 5 年会增长到7 亿美元的水平，最终会在平板显示的市场上获 取1 7 0 亿美元的份额。 美国的一个研究机构已经获得了一项l o 年的半导体照明工程的国家研究 项目，其资助强度达5 亿美元，据估计，一般的投入可使l e d 光源的光效在 2 0 l o 年达到5 0 l m w ，到2 0 2 5 年可在照明光源市场占有1 0 的份额，即可节省 4 0 0 多亿美元的能源消耗( 相当于2 5 4 0 个核电站的发电量) 。这项为期1 0 年，总额达五亿美元的国家投入，将促使企业界、国家实验室和一些学术机 构共同努力，使l e d 光源的光效在2 0 1 2 年达到2 0 0 m l w 的水平，使其在2 0 2 5 年所占的市场份额达到5 5 ，即可节省1 0 0 0 亿美元的能源消耗( 约为1 0 0 个 核电站的发电量) 。 1 2 研究目的及意义 近十年来，超亮度发光二极管进入市场，基于g a n 基材料的应用，成功 地开发出蓝色、绿色发光二极管，使得l e d 的发光波长从红色到蓝色全面覆 盖，实现了发光二极管的三基色全彩色显示，从而出现了许多新的应用领域， 如户外彩色l e d 显示屏以及高质量的交通信号灯。同时，由于l e d 具有极高 的发光效率，使用l e d 作光源照明，其能耗低、寿命长，已引起世人的注目。 目前，全球l e d 产业发展十分迅速，从1 9 9 3 年起，每年平均增长率超过1 0 ， 预计2 0 0 1 年将达到1 3 2 “1 。 随着l e d 应用范围的扩大，用户对l e d 产品质量有了更高的要求，尤其 l e d 发光亮度和波长具有一致性。因为l e d 亮度和波长不一致，如果做成大屏 幕l e d 彩色显示屏，会使观众产生斑点或刺眼的感觉，严重影响l e d 显示屏 的质量。因此必须按l e d 的发光亮度和波长进行分选，该项目主要是按用户 要求，根据l e d 的发光亮度和波长对l e d 进行分选，从而提高l e d 亮度和波 长的一致性，提高l e d 的质量和档次。 丛堡里! ：盔堂堕主竺堡堡苎一一 1 3 国内外研究现状分析 目前l e d 的材料制备、检测以及关键技术主要在日本和美国厂商的控制 之下，其他国家和地区都没有量产或优良的品质，台湾地区声称，预计2 0 0 3 年上游产品产值达到7 0 0 亿台币。我国大陆地区有许多l e d 生产厂家，但只 有3 到4 家产商从事上游产品的开发研究，尚未达到量产的水平。 全球每月生产l e d 芯片总量4 4 0 0 k k ，台湾地区有六个厂商生产l e d 芯片， 生产芯片，生产芯片数量占世界总量的五成以上，我国大陆地区在近几年有 较大的发展，但是生产总量不足世界总量的5 ，主要是以中下质量的产品为 主。所有这些都是因为目前国内l e d 生产厂家多采用人工目测分选，还没 有一套l e d 分谱自动检测与分选设备，分选结果受到人为因素影响很大，使 得l e d 的产品质量得不到有力的保证。 1 4 研究目标、内容和所需解决的关键问题 1 研究目标 本课题主要是根据l e d 的发光强度和波长等参数进行在线检测和自动分 选，以提高l e d 的亮度和波长的一致性。 2 研究内容 该课题所研究的主要内容包括以下两点： 1 ) 检测l e d 的发光强度，按强度将被测l e d 分为三级。 2 ) 检测l e d 的波长，按波长将被测l e d 分为三级，结合按发光强度的分 级，将被测l e d 分为三级九等。 3 ) 利用工业p c 与p l c 结合控制系统对l e d 进行自动分选。 3 所解决的关键问题 1 ) 对于l e d 发光强度的检测很容易实现，但对于其波长的检测相对困难， 通常的波长检测方法往往只适用于在实验室进行，如何找到一种适用于工业 应用的波长检测方法成为该课题所要解决的关键问题。 2 ) 由于同色l e d 波长相差无几，往往是纳米级，因此要能将其在如此小 的差异中区分开来必须提高波长检测的灵敏度、分辨率和可靠性。 4 武汉理= 人学硕士学位论文 第2 章l e d 分谱自动检测概述 2 1l e d 相关知识简介 发光是一种能量转换现象。当系统受到外界激发后，从稳定的低能态跃 到不稳定的高能态，在系统由稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，如果 其多余的能量以光的形式辐射出来，就产生发光现象。半导体发光二极管利 用注入p - n 结的少数载流子与多数载流予复合发光，是一种直接把电能转换 成光能的固体发光器件”1 。 半导体发光二极管主要应用于信息的显示，如各种仪器仪表的指示器， 文字、数字及其它符号的显示，也用作光通信、精密测距及其它一些物理检 测的光源。发光二极管和光探测器结合组成的光耦合器件在自动控制中的应 用f i 益广泛。 广义地说，半导体发光二极管还包括注入式激光二极管，但现在我们所 指的发光二极管，不包括激光二极管，而是指发近红外光和可见光的器件， 尤其是指发可见光的器件。因为作为人与机器间信息联系桥梁的显示器，只 能是可见光，当然两者的工作原理和基本工艺大体上是一致的。 七十年代，世界性的光纤通信研究热潮，促进了作为光源使用的近红外 发光二极管的发展。双异质结的i n g a a s p i n p ，a i g a a s 发光二极管相继问世， 和半导体激光器相比，发光二极管虽然是一种非相干光源，有谱带较宽、发 光散角较大的缺点，但发光二极管的结构简单，易调制，可靠性好，并且对 温度不甚敏感，因而在短距离的窄带光纤通信中得到了广泛的应用。 发光二极管得到迅速发展和广泛应用是由于它具有许多优点： 1 工作电压低( 1 5 2 v 左右) ，耗电量小，每一发光单元不到1 0 m a 的电 流下，在室内就能获得足够亮度： 2 性能稳定，寿命长( 一般在1 0 5 1 0 h ) ； 3 易于和集成电路配合使用； 4 和普通光源相比，单色性好，光源半宽度一般为几十纳米； 5 能通过电流( 或电压) 进行亮度调制。响应速度快，一般为1 0 一l o s ； 6 抗冲击、耐振动性强； 丛坚里：! ：盔堂堡主兰堡堡奎 一 7 重量轻、体积小、成本低。 发光二极管是种结构比较简单的半导体器件，其外壳除具有普通半导 体器件外壳的功能外，还要具有高效率出光的光学系统的功能。发光二极管 的发光光谱是指发光的相对强度( 能量) 随波长( 或频率) 变化的分布曲线， 它直接决定发光二极管的发光颜色并影响它的效率。许多发光材料的发射光 谱是连续谱带，也有一些材料的发光光谱比较窄，甚至还有些材料在室温 下的发光光谱是谱线。发光光谱的形状由材料的性质及发光中心的结构决定， 而与器件的几何形状、封装和尺寸无关。 2 2 系统方案的总体设计 如果l e d 生产厂家不能将l e d 按波长及亮度进行检测并分类，就无法进 行分选。并且如果检测方法的分辨率不够高，分选结果也会受到很大影响， 产品质量难以提高。考虑到以上问题，检测系统必须符合以下要求： i 易于检测l e d 的发光强度和波长。 2 有足够的精度，在0 5 以内。 3 所涉及的检测方法使用于工业应用，并能实现在线检测。 针对以上目标，本文提出了l e d 分谱在线检测和自动分选系统，其中着 重论述了l e d 分谱在线检测系统，自动分选系统已在邹明同学的论文中详细 论述，本文只是简单介绍。该检测系统实际是利用在一定驱动电流下l e d 发 光强度与其通过光电探测器所产生的电信号成比例来将l e d 按其发光强度进 行分类，同时利用色度学原理测量计算l e d 波长，将其按波长进行分选。检 测系统原理框图见图2 - 1 所示： 图2 1 检测系统原理框图 武汉理j + 人学硕士学位论文 2 3 系统组成及功能 1 恒流源 由于单色光的颜色感觉随着光的强度变化而变化，实验表明光谱上除了 三个( 5 2 7 n m ，5 0 3 n m ，4 7 8 n m ) 不受光强变化的影响外，其他各波长的颜色都会 略有改变。因此对于所测的l e d 亦存在此问题因此必须严格保证l e d 发光亮 度一致，而l e d 发光年度取决于它的电流，故必须使通过l e d 的电流强度保 持一致，且不能使电流处于饱和状态，通常为2 0 m a 。 2 光功率的测量 光功率的测量主要用于对l e d 的初步分级，按客户要求将被测l e d 分为 三级。l e d 光强的测量是按照光度学上的距离平方反比定律来实现的，测试距 离的确定是一个重要的问题，在后面章节中将会详细阐述。 3 光谱分布测量系统“ 光谱分布测量系统的测试框图见图2 - 2 。 图2 - 2 光谱分布测试框图 其中d ：被测l e d ；l ：聚焦透镜系统 d 2 d 3 ：消除杂散光光栏；g ：电流源； r m ：包括光栏d l 的辐射探测系统m ：单色仪： 在3 8 0 7 8 0 n m 范围内调整单色仪的波长只到辐射测量系统获得最大读 数，相应的波长就是峰值波长，然后往峰值波长的两边调整单色仪的波长直 到峰值波长读数的一半，此时所获得的两波长之差为光谱辐射带宽。在此范 围内按l o n m 的波长间隔分别测量记录每个波长时的光谱功率数值，即为光谱 武汉理工大学硕士学位论文 功率分却。 4 数据处理 数据处理部分主要涉及两方面内容：一是光功率的计算，二是主波长的 计算。 丛堡望兰盔堂堕主兰丝堡塞一 第3 章l e d 光强检测 3 1l e d 分谱自动检测系统简介 l e d 分谱自动检测系统的研究是为了满足用户对l e d 质量要求日益提高的 需求。随着信息技术的广泛应用，l e d 及其开发出的相关产品逐渐受到重视， 市场需求量不断增加，同时用户对l e d 质量的要求也相应提高，特别是要求 l e d 发光亮度和波长具有一致性。因为如果l e d 亮度和波长不一致，做成大屏 幕l e d 彩色显示屏，会使观众产生斑点或刺眼的感觉，严重影响l e d 显示屏 的质量。因此必须按l e d 的发光亮度和波长对其进行分选，这样如何对l e d 的发光亮度和波长进行检测就成为了一个重中之重的问题，该系统正是基于 这种需要应运而生。 3 2l e d 发光强度的检测 3 2 1 发光强度的概念 1 光通量”的概念 通量这个术语，在光辐射测量领域是常用的，它指的是在单位时间里通 过一个面积的能量流。由此可见，它与功率的意义是相同的。在光辐射测量 领域旱，很多时候使用通量( 中) 量度。单位是l m ( 流明) ，按国际上最新的 概念，它表示用标准眼来评价的光辐射通量，可用公式( 3 - 1 ) 求出： 中= 卜z v ( x ) a x ( 3 1 ) 其中v ( ) 是标准的明视觉豳数，它定义在一定的光谱范围里面，所以上 面的积分只要在可见光谱范围之内进行就成了。在可见光谱范围以外，v ( ) 为零值，因此不管光辐射功率有多大，对光通量值的贡献均为零，即看不见。 o az 为光辐射功率的光谱密集度，即在单位波长间隔内，光的实际功率是多 少。k 是一个转换常数，是一个国际协议值，规定为k = 6 8 3 1 m w ，即表示在 人跟视觉系统最敏感的波长( 5 5 5 n m ) 上，每瓦光功率相应的流明数。 武汉理】：人学硕士学位论文 2 光强度”j 的概念 发光强度又称辐射强度，其英文表达是l u m i n o u s ( o r r a d i a n t ) i r i t e , s i t y 。对于某一光源，它在发光的时候，向四面八方放射出光芒。不难 想到，它向各个方向所发出的光通量可能是不一样的。某些方向上可能大些， 在另一些方向上可能小些。于是定义发光强度这个量，来描述光源在某一指 定方向上发出光通量能力的大小。我们可以把这个指定方向上的一个很小的 立体角元内所包含的光通量值，除以这个立体角元，所得的商就定义为光源 在此方向上的发光强度。用式子( 3 - 2 ) 来表示就是： ，：塑( 3 - 2 ) 以2 3 2 2l e d 发光强度的测量 发光( 或辐射) 强度的概念要求辐射缘是一个点辐射源，或者它的尺寸 和光探测器的面积与离光探测器的距离相比是足够小，在这种情形下，光探 测器表面的光( 或辐射) 照度遵循距离平方反比定理，即e = i d2 。这里i 是辐射源的强度，d 是辐射源中心到探测器中心的距离。把这种情况称为远场 条件。然而在许多应用中，测量l e d 时所用的距离相对较短，光源的尺寸太 大，或者探 9 1 i | 器表面构成的角度太大，这就是所谓的近场条件。此时，光探 测器测量的光( 或辐射) 照度取决于正确的测量条件。 l e d 光强的测量是按照光度学上的距离平方反比定律”1 来实现的。根据半 导体发光器件测试方法的要求，如图3 - 1 所示： f 卜l _二- r 1 圉 一a 图3 - 1 光强测试原理 o 塑坚里兰盔堂堡主堂堡笙苎 当l e d 通以规定正向电流发光时，测得r 方向上离l e d 距离为r 处的光照 度e ，当r 足够大时，l e d 的光强为： ：e ，2 ( 3 - 3 ) 于是可根据上述原理测量l e d 的发光强度，该光强测试系统框图见图3 2 所示： 光强测试仪 图 3 - 2 光强测试系统框图 电流为5 m a 3 0 0 m a 连续可调、精度为0 1 的恒流源a 驱动l e d 发光，经 过一个多级光栏屏蔽筒p 消杂光后，被一个经严格v ( ) 和余弦校正的光电 探测器d 所探测，其输出光电流经电流电压变换器i vr 、放大器f 及m d 转 换器后输入计算机对l e d 按发光强度进行分选前的数据处理。 在l e d 发光强度的测试中，测试距离的确定是一个重要的问题。按距 离平方反比定律的要求，图3 - 1 中测试距离r 首先应大于发光源最大发光尺 寸的1 0 倍以上，同时也要大于光电探测器受光面最大尺寸的1 0 倍以上，这 对普通光源的光强测量，所引起的原理误差小于1 ，但对于l e d 的光强测量 所引起的误差是较大的，这时占主要地位的是日r 与光电探测器之间的尺寸 比。如图3 - 1 ，设光电探测器直径为a ，则测出的l e d 法向光强实际上是2 o ( = 2 a r c t a n ( a 2 r ) ) 为顶角的圆锥范围内的平均光强，若r = l o a ，则8 = 2 9 0 ， 由于l e d 方向性好，有些l e d 的半强度角接近此e 值，显然用半强度角内的 平均光强代替法向光强是不合适的，即使对于横切面为椭圆的l e d ，r = l o a 也 是不够的。表3 - 1 列出了同一l e d 在不同r 值时测得的光强值。可知红色超 亮l e d 的光强值在r l o a 情况下随r 的不同而变是较大的，而绿色l e d 的光 强值变化就不明显。经大量实验数据显示，选用2e = 1 5 0 比较合适，这时 r = 4 0 a ，即对l e d 进行光强测试时，测试距离应大于光电探测器最大受光直径 武汉理j ：人学硕士学位论文 的4 0 倍以上。若a = l o m m ，则r 4 0 0 m m ”1 。 表3 一ll e d 在不同距离测得的光强( 工作电流2 0 m a ) i 法卜、距离，l o a2 0 a3 0 a3 5 a 4 0 a 光强t m d ) 、 皇i ：色l e d 5 4 06 1 06 4 86 5 56 6 0 绿色l e d 1 2 41 3 31 3 61 3 51 3 7 由于测试距离的增加，杂散光的影响就变大了，采用优质消杂光光栏筒 杂散光对测量的影响是可忽略的。 些堡望兰厶堂堡堂生堡茎 第4 章l e d 波长分级检测理论与方法研究 4 1 几种波长检测方法的比较 波长的检测方法有很多，基本上有以下几种方法 4 1 1 物理方法 1 干涉方法，如用等色谱。3 测定光波波长，其原理如图4 - 1 下 n 1 n n o 图4 - i 等色谱法测定波长原理图 2 一束平行白光以i 角入射到折射率为n ，厚度为h 的透明平行薄膜上，在 薄膜的上下表面反射和折射，产生干涉。考虑到透明薄膜的反射光，可按双 光束处理。当波长满足下列关系时产生相消干涉，光强为0 ( n 。= 1 ) 2 n h c o s i = m i i = m 2 凡2 = i n ( 4 - i ) 其中，m ，m ：，m 。= 0 ，1 ，2 ，其等色谱线图见图4 - 2 亟堡型三盔堂堡主兰堡堡茎 一 l ：x m 图4 - 2 等色谱线图 其中i2m i o d6 dq = d 中dq + l = 0( 4 - 8 ) d 26 d 2 = d 2 咖da2 0( 4 - 9 ) 由( 4 7 ) 式d ( s i n 由+ s i nn ) dq = 0 ，所以，d6 da = 一c o sd c o s 由 代入( 4 - 8 ) 、( 4 - 9 ) 式可得：当巾= d 时，6 有极小值，即当满足最小偏向 角时，巾= a = 6 。2 ，贝d 2 ds i n ( 6 2 ) = m ，( 4 - 1 0 ) 其中m = o ，1 ，2 ， 在浚方法中当n 与中处于法线两侧时是不存在最小偏向角的若已知 光栅常数d ，通过测出最小偏向角，就可按( 4 一l o ) 式计算出波长。 对该方法的评价：该方法需要用望远镜跟踪某级某条衍射谱线，使之与 丛堡垄! ：叁= | ! 堕主：| = 笪笙壅 一 零级谱线偏离最小n - j - ，此时即为该谱线的最小偏向角的衍射方向，该方向与 零级谱线的方向f 日j 的央角就是该谱线的最小偏向角，同前一种方法一样不易 满足大量测量与全自动化要求。 3 对上述物理方法的评价 用上述物理方法对l e d 的波长进行检测精度较高，但它们需用显微镜进 行观察读数，因此适用于实验室及小批量检测，无法实现在线大批量自动检 测，工业应用价值不大。 4 1 2 非物理方法： 1 波长的积分式( 非分光) 测试j 该方法采用两只不同光谱响应的光电探测器，一只探测器的相对光谱响 应在足够宽光谱范围内修正成常数，另一只探测器也按要求用滤光器修正。 通过对测得的两个光电探测器光电流之比与波长关系的数据进行处理，可以 快速获得l e d 的辐射波长。 一种光辐照在不同光谱响应的光电探测器上时，产生的光电流会有不同 的结果。如图4 4 所示： 水 趟 啦 按 采 餐 罂 1 p d l ( 1 ) p d 2 ( i ) 7 5 08 0 0 8 5 09 0 09 5 01 0 0 0 波长 n m 图4 - 4 光探测器相对光谱响应和l e d 发射的光谱能量分布示意图 p d l ，p d 2 分别为理想的有和无光谱选择性的光探测器相对光谱响应曲线， 曲线a ，c 分别为两种l e d 相对光谱能量分布曲线。曲线b ，d 分别为上述两 6 丛墨垄：兰查堂堡主堂垡堡塞 种l e d 辐照在相对光谱响应为p d 2 的光电探测器上，p d 2 光探测器产生的光电 流相对分布曲线。而这两种l e d 辐照在p d l 上时，则由于p d l 相对光谱响应 在l e d 光谱范围内为常数，因此输出光电流相对光谱曲线完全相似于l e d 本 身的相对光谱能量分布曲线。以a 为例，可以分别写出p d l 、p d 2 光探测器产 生的光电流为： i = k ，p ( ) p d l ( x ) d ( 4 - 1 1 ) i 。= k 。，p ( ) p d 2 ( ) d ( 4 1 2 ) 式中p ( ) 为a 号l e d 相对光谱能量分布函数，k 、k s 为比例常数。 由于p d i ( ) = 常数，则 i = k ，p ( ) d = k p 。 ( 4 - 1 3 ) 式中p 。，即为l e d 辐射的光功率，通过标定可确定比例常数k 的数值。 公式( 4 一1 2 ) 中的p ( ) 、p d 2 ( x ) 在l e d 光谱范围内均可积，运用积分中 值定理，至少可以找到一点 。，使： i 。= p d 2 ( x 。) ，p ( ) d ( 4 - 1 4 ) 因此可以得到： i 。i - k 。p d 2 ( 。) k ( 4 - 1 5 ) 公式( 4 - 1 5 ) 表明：用图示那样两个光探测器测量同一个l e d 辐射时，两 光探测器的光谱响应比必定等效于某一波长处两个光探测器的光谱响应值之 比。被测l e d 光谱宽度越小，p d 2 曲线越接近于峰值波长。 该方法原理简单，数据处理易于计算机实现，但对硬件要求过高，必须 采用特殊技术获得如同p d l 、p d 2 那样光谱响应的光探测器。考虑到成本问题， 不适宜采用此种方法。 2 用分光法测量光波波长 该方法虽然经过实验证明其方法还有待完善，但失败的教训能帮助后来 者少走弯路，并提出一个供其参考的思路，同时对错误教训的总结亦是迈向 成功的第一步，因此有必要在这里介绍一下。其实验原理主要是利用波长与 颜色的对应关系，将被测l e d 发光的图像通过c c d 摄像头输入计算机，利用 彩色图像处理软件，将其三原色值( r g b ) 提取出来，经查表计算将被测l e d 按波长进行分级处理。 1 ) 检测原理 鉴于波长与颜色的具有对应关系，可以通过测量l e d 发出光线的颜色值 丛堡堡! ：叁堂堡主堂芝笙苎 来将其按波长进行分类。具体步骤如下： 用一i _ 麟n x cl e d 通电，然后用c c d 摄像头摄下l e d 发光的照片并输入 工控机。 用彩色图像处理软件提取图像，使之与背景分离a 通过高级语言对图像数据进行处理求出起平均r g 8 值，通过查表处理 将其按波长分类。 2 ) 硬件结构 硬件结构框图见图4 5 图4 - 5 分光法测试硬件结构框图 由于l e d 发光亮度取决于它的电流，要使测量在相同条件下进行，必须 使通过l e d 的电流强度保持一致，通常为2 0 m a 。由于该方法是通过对l e d 发 光颜色的r g b 值进行处理，故对c c d 的要求关键在于其颜色失真度小。 3 ) 软件设计 b m p 文件格式 由于该方法须对b m p 格式文件进行一系列处理，因此对b m p 文件格式的 认识成为软件的关键。下面对其进行简要说明： b m p ( b i t m a p ) 由四个部分组成“”：位图文件头( b i t m a p - f i l eh e a d e r ) 、 位图信息头( b i t m a p i n f o r m a t i o i lh e a d e r ) 、彩色表( c o l o rt a b l e ) 和定义 位图的字节阵列。对与2 4 位真色彩位图，没有彩色表，其颜色用位图字节阵 列表示，每3 个字节代表一个像素，分别对应于颜色r 、g 、b 。由于本实验 c c d 所摄图像为2 4 位图像，因此可直接对文件字节进行操作，提取r g b 值， 武汉理上1 人学硕士学位论文 _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ - 一一 无须进行查表操作。 轮廓提取 由于经c c d 所摄发光二极管图像与背景混杂在一起，不便于对其r g b 值 进行提取，故首先将所需图像从背景中提取出来。由于我们并非对图像轮廓 提取的研究，所以我们可以将问题简化，比如将背景设置为黑色( r ：o ，g = o ， b = o ) 。在实际设计中，可利用“黑箱”原理，一方面保证图像背景为黑色， 另一方面，可使测量距离及角度一致，保证测量环境基本不发生改变。 图4 6 所示为不同批次的三个绿色l e d 在“黑箱”中所摄的图像： 图4 - 6 不同批次绿色l e d 在黑箱中所摄图像 在实验中用以下阀值对图像进行提取：当“r 1 0 0a n dg 2 5 0o r8 2 5 0 。对于经提取及去噪处理的剩余像素取其r 、g 、b 平均值。 其程序流程图如图4 - 7 。 4 ) 分光法测l e d 波长不足之处 采用分光法检测l e d 波长存在以下问题： 在实际应用中，绝对的“黑箱”难以实现，也就是说无法保证所有l e d 在相同环境下进行测试，并且对l e d 进行在线摄像也不容易实现。 对于提取轮廓所用到阀值的确定无成熟的理论根据，并且采用平均数 计算出的r 、g 、b 值能否准确代表所铡l e d 无法得到证明。 即使所采用的阀值和采用平均数的算法可以得到证明，也许对大量实 验数据进行统计，以确定r g b 值与波长的对应关系。 由此可知这种方案无法实施，但是利用颜色与波长的关系对l e d 波长进 行检测是一种很有价值的思路，这一思路为利用色度学原理进行l e d 波长分 亟堡墨三查兰堡主兰垡笙苎 级检测奠定了一定基础。 9 , 0 0 0 2 h z ：贻的四字节单元读取整个文件大小值 t 从0 0 0 a h 开始的四字节单元读取从文件开始到位图数据之间的偏移量p o s i 1 k 迹- 止 陌意习 g ，b 平均值f 墓萝 l 1 。j 卤 f r 慕习、 图4 7 分光法程序流程图 4 2 基于色度学的l e d 波长分级检测原理 4 2 1 关于颜色的几个问题 1 人的色觉1 可见光是电磁波中能引起视觉的部分，其波长范围为3 9 0 0 埃( 1 埃= 1 0 0 _ 1 2 2 ) 到7 7 9 9 埃。如果强度足够的化，我们可以看见波长短到3 0 0 0 埃，长到9 0 0 0 2 0 武汉理，j ：人学硕十学位论文 埃的光。色( 即颜色) 是可见光射入眼后，为光敏细胞感受，在大脑中产生 的一种综合感觉。这种感觉称为色觉，不同波长的光对人眼引起不同的颜色 感觉，波段和颜色的关系表4 1 表4 一l 颜色波长对照表 颜色红色橙色黄色黄绿色 波长范围7 7 0 6 2 0 n m6 2 5 9 0 a m5 9 0 5 6 0 n m 5 6 0 5 3 0 n m 颜色绿色青色蓝色紫色 波k 范围5 3 0 5 0 0 n m5 0 4 7 0 n m4 7 0 4 3 0 n m4 3 0 3 8 0 h m 从一个颜色到另一个颜色并不是截然分开，而是逐渐过渡的。因此这些 波段的分法只是一个大概的数字，不同的人有不同的分段法。另外还应指出， 通常所谓可见光是对人类而言的，其他动物的“可见光”可以和人类不同。 例如蜜蜂可以感受光谱中的紫外波段，对于狗，光是不分色的，狗眼中所见 的只是不同深浅的灰色。 人眼的视网膜上分布着光敏细胞，光敏细胞分为两种，圆柱细胞与圆锥 细胞。圆柱细胞约1 2 5 1 0 。个，内含化学物质视紫红质，这种细胞分辨力 低，色觉不完善，但对弱光非常敏感，在昏暗中看东西时，圆柱细胞起主要 作用。圆锥细胞约4 1 0 6 个，内含化学物质红敏素、绿敏素和蓝敏素，这种 细胞具有高度的分辨力与完善的色觉