（机械电子工程专业论文）led分光机系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 l e d 作为一种新兴的光源越来越多地应用在各种领域上，包括显示屏、液晶 面板背光、装饰灯光和通用照明等。但是由于l e d 的生产工艺特点，每颗l e d 的 电子和光学特性都不尽相同，在实用中需要对其电性参数和光学参数进行测量并 据此进行分类。l e d 分光机即是根据该原理对l e d 进行在线分类的专门设备。但 一些企业由于检测水平低，仪器配套性差，检测精度低，产品性能互相之间不可 比对；一些企业所依赖的进口测试、分选设备价格很高。这种状况如果长此下去， 对我国l e d 产业的结构和发展十分不利。因此，自行研究l e d 在线快速测试及自 动分选设备对促进我国的l e d 产业发展和提高l e d 的产品质量具有重要的意义。 本文首先介绍了l e d 的主要特性参数，l e d 参数测试原理及测试方案。特别 详细的论述了有关l e d 光谱参数测试的原理，提高测试精度的方法和改进途径， 包括发光强度测试的原理、注意事项和提高测试准确度的方法，并对l e d 各参数 测试方法进行了分析。 在明确了l e d 主要特性参数和测试方法的基础上，本文介绍了l e d 分光机的 研制，主要包括控制系统，测试系统及软件系统的设计和研制。其中控制系统采 用了p c 机与p l c 相结合的技术，p c 机用于控制l e d 测试系统，p l c 则用于控 制机械系统的运行；测试系统采用高精度的c c d 光谱仪和视觉函数光强探测器。 最后，本文对l e d 自动分类进行了研究探讨，确定l e d 正向电压，光强，主 波长，色品坐标( 针对白光l e d ) 作为分光机的分类参数，并对l e d 分光样机的测 控系统进行了实验，结果表明样机分类效果良好，基本符合设计要求。整个分光 机软件界面清晰，结构合理，使用灵活，方便用户的测试与调试。 关键词：l e d ，在线检测，自动分拣，光电测试 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t l e da san e wl i g h ts o u e c ci sm o r ea n dm o r ea p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s ，i n c l u d i n g t h ed i s p l a y ，l c dp a n e lb a c k l i g h t i n g ，d e c o r a t i v el i g h t i n ga n dg e n e r a ll i g h t i n g h o w e v e r ， d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o d u c t i o np r o c e s so fl e d ，t h ee l e c t r o n i ca n do p t i c a l p r o p e r t i e so fe a c hl e d a r ed i f f e r e n t ，s oi t se l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n do p t i c a lp a r a m e t e r s s h o u l db em e a s u r e da n dc l a s s i f i e da c c o r d i n g l y l e ds o r t i n gm a c h i n eb a s e do nt h e p r i n c i p l eo fc l a s s i f i c a t i o ni st h es p e c i a l i z e de q u i p m e n tt h a ts o r t sl e d s o m ec o m p a n i e s a r ec o n d i t i o nt h a tl e v e lo fd e t e c t i o ni sl o w ，a n de q u i p m e n ti sn o tc o m p a t i b l e ，l o w d e t e c t i o na c c u r a c y ，p r o d u c tp e r f o r m a n c en o tc o m p a r a b l et oe a c ho t h e r ；s o m ee n t e r p r i s e s r e l yo l lt h ef o r e i g nt e s ta n ds o r t i n ge q u i p m e n tw h i c hc o s t ss om u c h i ft h es i t u a t i o n c o n t i n u e s , t h a ti sv e r yd e t r i m e n t a lt ot h es t r u c t u r ea n dd e v e l o p m e n to fc h i n e s el e d i n d u s t r y t h e r e f o r e ，t h a tr e s e a r c ho n0 1 1 1 o w nl e d so n l i n e - t e s ta n da u t o m a t i cs o r t i n g e q u i p m e n tw h i c hc o u l dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s el e di n d u s t r ya n di m p r o v e t h eq u a l i t yo fl e di sg r e a ts i g n i f i c a n t t h em a i nl e d sp a r a m e t e r sa n dt h ec o n c e p t i o na r ei n t r o d u c e d t h ew a y sa n dt h e p r i n c i p l eo ft e s t i n ga r ea n a l y z e d s p e c i a l l yt h ep r i n c i p l eo ft h ed e t e c t i n gl e d s s p e c t r u m ，t h en o t i c ea n dt h ew a yo fi m p r o v e m e n ta c c u r a c yo ft e s t i n ga r ed e t a i l e d a l lt h es t u d ya r e a so f t h i ss u b j e c ta r ec o n f i r m e d t h e nt h ed e s i g n i n go ft h em a c h i n e i si n t r o d u c e d i ti n c l u d e st h ec o n t r o l l i n gp a r t ，t e s t i n gp a r ta n ds o f t w a r e t h ec o n t r o l l i n g s y s t e mi sr e a l i z e db yt h et e c h n o l o g yo fp c & p l c , p c c o n t r o l si n s t r u m e n ti su s e di nt h e l e d t e s t i n ga n dp l cd r i v e sm e c h n i c a lp a r t t h et e s t i n gs y s t e mu s e sh i g h - - a c c u r a c y c c d s p e c t r o m e t e ra n dl i g h ti n t e n s i t yd e t e c t o r f i n a l l y ，t h ew a yo fs o r t i n go fl e d i sd i s c u s s e da n ds t u d i e d t h ep a r a m e t e r sw h i c h s e l e c t e d 弱c l a s s i f y i n gp a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e d ，t h e s ep a r a m e t e r sa r ep o s i t i v ev o l t a g e ， l u m i n o u si n t e n s i t y ，d o m i n a n tw a v e l e n g t ha n dc h r o m a t i c i t yc o o r d i n a t e s ( f o rw h i t e l e d ) a c t u a lm e a s u r e m e n tw a sd o n ea n ds h o wt h a tr e s u l t so fc l a s s i f i c a t i o na r ew e l l ， m e e t i n gt h ed e s i g n sr e q u i r e m e n t s t h ei n t e r f a c eo ft h em a c h i n ei sc l e a ra n dt h e s t r u c t u r ei sr a t i o n a l ，i ti sc o n v e n i e n tf o rt e s t i n ga n da d j u s t i n g k e yw o r d ：l e d ，o n l i n et e s t ，a u t o m a t i cs o r t , p h o t o e l e c t r i c i t yt e s t n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的盔士学位论文2 硷垄在! 旦磊! 色丕重 虿! 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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了谢 意。 学位论文作者签名：局满 导师签名：辋移 签字日期：力哆寸 签字日期：如夕i 扩 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程 ) ，愿意将本人的么姑学位论文2 量1 2 绚丑矗! 球丝彩每变雹国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库y 、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 7卜、 作者签名：翅i 磊导师签名：刃黑幺丝盖! 山刁年么月p 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书并，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 引言 l e d 作为一种新兴的光源越来越多地应用在各种领域上，包括显示屏、液晶 面板背光、装饰灯光和通用照明等。但是由于l e d 的生产工艺特点，每颗l e d 的 电子和光学特性都不尽相同，在实用中需要对其电性参数和光学参数进行测量并 据此进行分类。l e d 分光机即是根据该原理对l e d 进行分类的专门设备，其中 l e d 颜色测量是决定l e d 分光机品质的一个重要环节。 分光机一即发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e 简称l e d ) 测试分类机的俗称( 又 名分光分色仪) ，它是一种集光学、电子、电气、软件、机械、自动控制于一身的， 具有较高科技含量的自动化测试设备，主要用于l e d 生产过程中。测试系统通常 采用标准l e d 进行定标，在生产线上快速测试l e d 的正向电流、电压、发光强度( 或 光能量) 、色品坐标、色温、色纯度、主波长等参数，并按所测到的参数进行分级。 随着中国逐渐成为世界的l e d 封装加工中心及l e d 应用领域对l e d 分光分 色质量的不断提高；全自动的l e d 分光分色测试分选设备已逐渐成为l e d 封装生 产线的必备设备。 1 2 课题研究的意义 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。我国大陆地区有许多l e d 生产厂家， 但只从事上游产品的开发研究的很少，无法达到较高水平。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 ，主要以中下产品为主。所有这些都是因为目前国内l e d 生产 厂家进行测试或包给别人测试分选，使得l e d 的产品质量得不到有力的保证。 国外经过分选的l e d 每只利润增加1 分人民币，国内年生产l e d 管2 0 0 亿只， 如果有一半的l e d 经过分选，增加利润近一亿元。由于l e d 的生产方式目前既是 高科技产品又是劳动密集型产品，随着我国加入w t o ，我国l e d 的生产量将会 大幅度增长，对产品质量的要求也将越高。此外，发光二极管光谱自动检测与分 选设备经不断研制和完善后，可以逐步推向市场，从而可极大地提高我国l e d 质 量，其市场前景可观。该类设备的广泛应用可极大地提高我国l e d 产业水平。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 国内外研究背景和现状 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，特 别是大功率白光l e d 的出现，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，增长率超过 1 0 t 1 】【2 】。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_ 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。 随着l e d 产业迅速发展，l e d 测试设备也跟着迅速发展。在实验室分析测试 仪器方面，其中有美国的o l 7 7 、德国的i s 公司的c a l 4 0 b 为全世界领先，我国 主要以台湾维明的l e d 6 2 8 ，杭州远方的p m s 5 0 ，杭州中为的z w l 6 0 0 为主， 目前这些型号的仪器已广泛在各大中小企业使用。在生产测试设备( 主要是l e d 分光分色机) ，我国市场上主要以台湾长裕欣业、大赢数控的l e d 全自动分光分 色机为主。但目前国内市场上的l e d 分光分色设备情况主要是以l a m pl e d 分光 分色机、食人鱼分光分色机和大功率分光分色机三种，l a m pl e d 分光分色机、食 人鱼分光分色机主要有台湾长裕，大功率l e d 的分光分色主要是以杭州中为光电 技术有限公司的z w l 3 9 0 0 手动分光分色机、z w l 3 9 0 8 半自动分光分色机，日本 也有此类全自动分光分色机，但价格相当昂贵、测试种类单一、供货周期长，在 国内目前尚无有厂家购买。几年来，我国l e d 分光机生产企业不断发展壮大，所 取得的成果在技术功能和可靠性方面均接近或达到了国外的先进水平，而价格却 比国外产品差不多要低5 - 8 倍，从长远的服务、维修和更新方面，比国外产品具 有明显的优势。 1 4 课题的研究目的和主要工作 1 4 1 课题的研究目的 通过研究、分析l e d 测试的主要参数、方法及国内外相关设备，对l e d 测试 的主要参数：正向电压、发光强度和波长等参数进行相关实验和分析，对l e d 测 试的运动、分选等进行研究分析，研究、开发一套l e d 分光机控制系统及测量系 统，增强国内l e d 分光机的自主开发的能力和市场竞争力。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 2 本课题研究的主要内容 l e d 分光机控制系统总体方案设计。 l e d 分光机控制系统设计( 驱动电机，p l c 等选型) 。 测试系统硬件( c c d 光谱仪、光强计和数据卡等的选型) 。 测试系统软件功能研究( 实现采集l e d 漏电流和正向电压大小，并根据 有关标准挑出废品，对l e d 发光强度和波长进行检测，测量软件能根据 用户要求由将l e d 分成若干个等级) 。 测量参数的研究和优化( 由于l e d 的光学、电学参数很多，在实际检测 中不能够一一作为检测参数，故要对其进行选择，以使检测分光方法更加 合理、经济) 。 1 4 3 拟解决的关键问题 检测、数据处理及运动控制的实时性。 数据测量的高灵敏度、分辨率和可靠性。 控制系统统内高速数据通讯。如何保证l e d 单管能够可靠准确进行传送 以及整个系统的同步性问题。 重庆大学硕士学位论文 2l e d 光电参数与测量方法 2l e d 光电参数与测量方法 2 1l e d 发光原理 l e d 的实质性结构是半导体p n 结，核心部分由p 型半导体和n 型半导体组 成的晶片，在p 型半导体和n 型半导体之间有个过渡层，称为p n 结。其发光 原理可以用p n 结的能带结构来做解释。制作半导体发光二极管的半导体材料是重 掺杂的，热平衡状态下的n 区有很多迁移率很高的电子，p 区有较多的迁移率较 低的空穴。在常态下及p n 结阻挡层的限制，二者不能发生自然复合，而当给p n 结加以正向电压时，由于外加电场方向与势垒区的自建电场方向相反，因此势垒 高度降低，势垒区宽度变窄，破坏了p n 结动态平衡，产生少数载流子的电注入。 空穴从p 区注入n 区，同样电子从n 区注入到p 区，注入的少数载流子将同该区 的多数载流子复合，同时电势能就转换为电磁能。每一次的复合，电磁能都 会以光子的形式进行发射，从而观察到p n 结发光，这种发射的特性频率是 由半导体材料( 通常是镓、砷和磷的化合物) 所决定的。任何材料都可 以发出一个非常窄的频率范围内的光子。l e d 所发出的不同颜色的光是 由不同的半导体材料所造成的，同时发光所需要的能量也不同。此外，一 些电子被无辐射复合中心俘获，能量以热能的形式散发，这个过程被称为无辐射 过程，为了提高l e d 发光效率，应尽量减少产生无辐射复合中心的晶体缺陷和杂 质浓度，减少无辐射复合过程【3 】【4 】。 白光是复色光，白光l e d 的发光原理较为特别，目前其主要实现途径有以下 三种【5 】： r 、g 、b 三基色合成 将红、绿、蓝三色l e d 功率型芯片集成封装在单个器件之内，调节三基色的 配比，理论上可以获得各种颜色的光。通过调整三色l e d 芯片的工作电流可产生 宽谱带白光。 u vl e d + r 、g 、b 荧光粉 采用高亮度的近紫外l e d ( - - - 4 0 0 n m ) 泵浦r 、g 、b 三色荧光粉，产生红、绿、 蓝三基色。通过调整三色荧光粉的配比可以形成白光。 蓝光l e d + y a g 荧光粉 以功率型g a n 基蓝光l e d 为泵浦源，激发黄色无机荧光粉或黄色有机荧光染 料，由激发获得的黄光与原有蓝光混合产生视觉效果的白光。这种方法制作工艺 相对容易，而且y a g 荧光粉已经在荧光灯领域应用了许多年，工艺比较成熟。 4 重庆大学硕士学位论文 2l e d 光电参数与测量方法 2 2l e d 电性参数及测量原理 2 2 1l e d 的伏安特性 l e d 的i v 特性表征l e d 芯片p n 结制备性能主要参数，l e d 通常都具有图 2 1 所示的较好的伏安特性。l e d 的i v 特性具有非线性、整流性质即单向导电性， 即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻1 6 儿7 1 。 正向截止区：( 图o n 或o n 段) a 点对于v o 为开启电压，当v 0 时， 胗珞的正向工作区i f | 逋v f 指数上升。 反向截止区：v 0 时p n 结加反偏压，肛一珞，g a n 反向漏电流厶( v = 一 5 v ) 为1 0 u a 。 反向击穿区：v 一，称为反向电压；珞电压对应矗为反向漏电流。当 反向偏压一直增加使v 一坎时，则出现厶突然增加而出现击穿现象。由于所用化 合物材料种类不同，各种l e d 的反向击穿电压陈也不同。 i i r bf fb 川 。盯必： 1 届 。 j 工作区v ，霹 l 矿之； 正向叠止 图2 1 l e di - v 特性 f i g u r e2 1l e di - vf e a t u r e l e d 发光器件相关的重要的电性参数： 正向电压v f ( f o r w a r d v o l t a g e ) ：通过发光二极管的正向电流为确定值时，在 两极间产生的电压降。 反向电压v r ( r e v e r s e v o i t a g e ) ：被测发光二极管器件通过的反向电流为确定 值时，在两极间所产生的电压降。 反向电流i r ( r e v e r s e c u r r e n t ) ：加在发光二极管两端的反向电压为确定值时， 流过发光二极管的电流。 5 重庆大学硕士学位论文 2l e d 光电参数与测量方法 2 2 2l e d 正向电压测量原理 正向电压是l e d 器件在规定的正向电流条件下，两极间所产生的电压降落， 测量时必须使用恒流源为l e d 器件供电，并调节其输出电流值到l e d 的规定工作 电流，这时用电压表量测l e d 两端的电压就可测得正向电压。如图2 2 所示，其 中g ，v ，a ，d 分别是可调节的恒流源，电压表，电流表和被测l e d 。测量时， 调节恒流源，直至电流表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器 件的正向电压。 g 图2 2l e d 电参数的测试原理图 f i g u r e2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t e s t i n ge l e c t r i c a lp a r a m e t e r so fl e d 调节恒流源，使电流表读数为规定值( 如2 0 m a ) ，这时在直流电压表上的读数 即为被测器件的正向电压。 2 2 3l e d 反向电压反向电流测量原理 反向电压是被测l e d 通过的反向电流为确定值时，两极间所产生的电压。如 图2 3 ，调节电压源，使电流表读数为规定值，此时电压表的读数就是反向电压值。 gd 图2 3l e d 电参数的测试原理图 f i g u r e2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t e s t i n ge l e c t r i c a lp a r a m e t e r so f l e d 反向电流是测量在被测l e d 器件施加规定的反向电压时产生的反向电流。也 是图2 3 ，调节电压源，使电压表读数为规定值，此时电流表的读数就是反向电流值。 6 重庆大学硕士学位论文 2l e d 光电参数与测量方法 2 3l e d 光学参数的测量 2 3 1 光通量【s 】 在光度学中对于“光”的定义，是相对于可见光而言，它所具有的波长范围在 3 8 0 7 8 0 r i m 之间。但是在这区间中，不同波长的辐射进入人眼的颜色感受不同， 例如，波长为7 0 0 r i m 的l e d 辐射所引起的感觉是红色，波长为5 8 0 n m 的l e d 辐 射引起的感觉是黄色，波长为5 1 0 r i m 的l e d 辐射引起的感觉是绿色，波长为4 5 0 n m 的l e d 辐射引起的感觉是蓝色等等，表2 1 列出了不同色觉的波长范围。所以， l e d 光的颜色与进入人眼的光辐射的相对光谱能量分布有关，当进入到眼睛的光 谱辐射波长发生改变或者它们的相对光谱能量分布发生改变时，人眼对光的颜色 感受也随着发生变化。 表2 1 颜色波长对照表 t a b l e2 1w a v e l e n g t ha n dc o l o rt a b l e 颜色波长范围( 啪) 4 9 粼( n m ) 红6 3 0 7 8 07 0 0 橙6 0 0 6 3 06 2 0 黄5 7 0 6 0 05 8 0 绿5 0 0 5 7 05 5 0 青4705005 0 0 蓝420-470 4 7 0 紫 3 8 0 4 2 04 2 0 通常用光功率来表示光源在单位时间内发射的光能量大小，用流明( 1 u m e n ) 作为单位，符号为l m 。光功率在辐射度学中用术语辐射通量( 蚴表示。发光二极 管单位时间内发射的总电磁能量称为l e d 辐射通量，它通常表示l e d 单位时间内 在整个3 6 0 0 空间发射的能量，但有时也规定在一定角度范围内发射的辐射通量。 如果辐射通量随波长而改变，l e d 在某个波长发射的辐射通量称为单色辐射通量， 可以写为卿姒) ，单位是w n m ，辐射通量可以表示为： 占= ，( 九) 砒 ( 2 。1 ) 辐射通量的概念适用于所有光谱段的光和辐射，对于紫外、可见和近红外发 光二极管都适用。在可见光范围内，光源发射的光和辐射将引起人眼的视觉，光 源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分量称作为光通量( 西力。人眼对不同波 长的单色光有不同的灵敏度，人眼对5 5 5 n r n 的单色光最灵敏，在这个波长上，l w 辐射通量等于6 8 3 1 m 。与辐射通量类似，光通量通常指光源向整个空间在单位时间 内发射的能引起人眼视觉的辐射通量。人眼对不同波长单色光的灵敏度己经由国 际照明委员作了总结，在明视觉条件( 亮度大于3 c d m 2 ) 下，归纳出人眼标准光度观 测者光谱光效率函数俐，它在5 5 5 n m 上有最大值【1 7 】，如图2 3 所示，其中矿例 7 重庆大学硕士学位论文2l e d 光电参数与测量方法 为暗视觉条件( 亮度小于o 0 0 1 c d n 1 2 ) 下的光谱光效率函数。 捌 目 蜃 窝 霉 口4 3 04 蜘5 3 05 8 06 3 06 8 0 7 邻 瑚 波长 图2 3 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数 f i g u r e2 3s p e c t r u me f f i c i e n c yf u n c t i o ni nd a r ka n dl i g h tc o n d i t i o n 通常的测量以明视觉条件作为测量条件，因此明视觉条件下光通量可以表示为： 西矿= 6 8 3j ：s 。o ( a ) y ( 允) d 允( 2 2 ) 这里中晚舡) 是光源发射的绝对光谱能量分布，通常采用相对光谱能量分布函 数s ( ”，它们的关系为晚舡) _ ks ( 柚，k 为常数，积分限3 8 0 - - 7 8 0 n m 是可见光的 波长范围。因此，对于光源而言，它发射的光通量和辐射通量的关系为： 卟6 啪e 一 仁3 ， 2 3 。2 光强度的概念 发光强度( l u m i n o u si n t e n s i t y ) 又称辐射强度，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( 2 4 ) 来表示就是： l v = d 固| d qq 。q 式中q 为立体角，其单位是球面度( s t e r a d i a n ) ，符号是s r ，规定在半径r 的球 面上面积为r 2 的面元对球心的张角为l s r 。发光强度的单位是坎德拉( c a n d e l a ) ，符号 8 重庆大学硕士学位论文 2l e d 光电参数与测量方法 2 3 3l 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 = l ，d 2 。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，或者探测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【1 3 】【1 4 1 。 c i e 推荐标准条件a 和b 来测量近场条件下的平均l e d 强度，图2 4 为c i e 平均l e d 发光强度测试原理图。 、 d 、 非- 一一 ， 一 一一一ii：!i 图2 4c i e 平均l e d 发光强度测试原理图 f i g u r e 2 4c i el u m i n o u si n t e n s i t yt e s t i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo ft h el e d 【d 为被测l e d 器件；g 为电流源；p d 为包括面积为a 的光阑d l 的光度探测器； d 2 ，d 3 为消除杂散光光阑( d 2 ，d 3 不应限制探测立体角) ：d 为被测l e d 器件与 光阑d l 之间的距离】 调整被测l e d 器件，使它的机械轴通过探测器孔径的中心。光度探测器的光 谱灵敏度在被测器件发射的光谱波长范围内应该校准到国际照明委员会标准光度 观测者光谱曲线；测试辐射参数时应采用无光谱选择性的光探测器。测量距离d 应按国际照明委员会推荐的标准条件a 和b 设置。在这两种条件下，所用的探测 器要求有一个面积为1 0 0 t r i m 2 ( 相应直径为1 1 3 n u n ) 的圆入射孔径【1 1 】f 1 2 】。两个条件 的主要区别是在于：l e d 顶端到探测器的距离，立体角和平面角( 全角) 的不同，如 表2 2 所示。实际应用中，用得较多的是条件b ，它适用于大多数低亮度的l e d 光源，高亮度且发射角很小的l e d 光源可以使用条件a 。 9 重庆大学硕士学位论文 2l e d 光电参数与测量方法 表2 2c i e 推荐的l e d 发光强度测试标准条件 t a b l e 2 2c i er e c o m m e n d e ds t a n d a r d sf o rl e dl u m i n o u si n t e n s i t yt e s t i n gc o n d i t i o n s 2 4l e d 色度参数 2 4 1c i e 色品坐标 c i e 色度学系统是以色光三原色r g b 为准，以光源、物体反射和配色函数计 算出x 、y 、z 刺激值，任何色彩都可以由r g b 混色而成，再经过仪器测出光谱 辐射能量和反射率值，即可计算出x y z 三刺激值。由三色学说的原理，任何一种 颜色可以通过红、绿、蓝三原色按照不同比例混合来得到。可是，给定一种颜色， 采用怎样的三原色比例才可以复现出该色，以及这种比例是否唯一，是需要解决 的问题，只有解决了这些问题，才能给出一个完整的用r g b 来定义颜色的方案。 靼 莨 翼 咖i 罐 f ：r l 、 i 1 y 一 y 盖) 一 |x 、i i ( ) 爿l 、 f 1 1 、p 灯 )，|k 少一j u t h 时，半导体与绝缘体截面上的电势( 常称为表面势，用s 表示) 变得如此之高，以至于将半导体内的电子( 少数载流子) 吸引到表面，形成一层极薄 的( 约1 0 a u m ) 但电荷浓度很高的反型层，如图3 2 ( c ) 。 反型层电荷的存在表明了m o s 结构存储电荷的功能。然而，当栅极电压由零 变到高于阈值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层 在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且栅极的衬底之间的 绝大部分电压降落在耗尽区上，如果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区将收 缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。当提供足够的少数载流子时，表面势可降 低到半导体材料费密能级嘶的两倍。 1 7 重庆大学硕士学位论文 3l e d 测量系统的开发与研究 诲每嘻。 ”) “ 圈3 2 单个c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 f i g u r e 32 t h ec h a n g eo f c c d g a t ev o a l t a g e i r n p a c t s o ne x h a u s t i o nr e g i o n ( a ) 栅极电压为零；( b ) 栅极电压u o 小于阍值电压u m ：( c ) 栅极电压u g 夫于婀值电压u m 例如，对于掺杂为1 0 1 5 c m 。3 的p 型半导体，费密能级为o 3 v 。耗尽区收缩到 最小时，表面势如下降到最底值06 v 。其余电压降在氧化层上。表面势电随反 型电荷浓度q m v ，栅极电压u g 的变化表示在图3 3 和图3 4 中。 口1 n f t ，、 囤3 4 表面势m s 与反型层电荷密度q v h 的羌系 f i g u r e 34 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u r f a c e p o t e n t i a l w e l l 啦a n d i n v e r s i o n l a y e rc h a r g ed e n s i t y q v i n 重庆大学硕士学位论文3l e d 测量系统的开发与研究 图3 2 中的曲线表示的是在掺杂为1 0 2 1 e m 3 的情况下，对于氧化层的不同厚度 在不存在反型层电荷时，表面势s 与栅极电压u g 的关系曲线。图3 3 为栅极电 压不变的情况下，表面势s 与反型层电荷密度的关系曲线。曲线的直线性好，说 明表面势o s 与反型层电荷浓度q v n q 有着良好的反比例线性关系。这种线性关系 很容易用半导体物理中的“势阱”概念描述。电子所以被加有栅极电压u g 的m o s 结构吸引到氧化层与半导体的交界处，是因为那里的势能最低。在设有反型层电荷 时，势阱的“深度”与栅极电压u g 的关系恰如s 与u f g 的线性关系，如图3 5 ( a ) 空势阱的情况。图3 5 ( b ) 为反型层电荷填充1 3 势阱时，表面势收缩，表面势西s 与 反型层电荷填充量q p 间的关系如图3 4 所示。 u g l u g = i u g = v g r ( a ) 空势阱 ( b ) 填充t 3 的势阱( c ) 全满势阱 图3 5 势阱 f i g u r e 3 5p o t e n t i a lw e l l 当反型层电荷足够多时，使势阱被填满时，m s 降到2 t i f f ，此时表面势不再束 缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象，这样，表面势可作为势阱深度的量度，而 表面势又与栅极电压u g 氧化层的厚度d o x 有关，即与m o s 电容容量c o x 与u g 的乘积有关，势阱的横截面积取决于栅极电极的面积a 。m o s 电容存储信号电荷 的容量。q = c o xu o 幸a 电荷的藕合。 1 9 普 重庆大学硕士学位论文 3l e d 测量系统的开发与研究 o o 2 v l o v2 v2 r 工工工上， 叫一 高中存柯电韵的势阱 ( a ) o 2 v l o l o vj o y 2 v 2 vl o v 蝴o v2 v 丛 1 一广一 卜、叶i b = 金l 新势辨 ( b ) 蛾l - - - 一1 0 v 气iy y 图3 6 三相c c d 中电荷的转移过程示意图 f i g u r e 3 6t h r e e - p h a s ec c d i nt h ec h a r g et r a n s f e rp r o c e s sd i a g r a m ( a ) 初始状态；( b ) 电荷由电极向电极转移；( c ) 电荷在，电极下均匀分布； ( d ) 电荷继续由电极向电极转移；( e ) 电荷完全转移到电极；( f ) 三相交叠脉冲 为了理解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置，可观察图3 6 c c d 中四个彼此靠得很近的电极。假定开始时有一些电荷存储在偏压为1 0 v 的第 一个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的较低电压( 例如2 v ) 。设 图3 6 ( a ) 为零( 初始时刻) 。经过t l 时刻后，各电极上的电压为如图3 6 ( b ) 所示，第 一个电极仍保持为1 0 v ，第二个电极上的电压由2 v 变到1 0 v ，因为这两个电极靠 得很紧( 间隔只有几微米) ，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极 下的电荷变为这两个电极下势阱阱所共有，如图3 6 ( b ) 和图3 6 ( c ) 。若此后仍为 1 0 v ，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图3 6 ( e ) 。由此可见，深 势阱及电荷包向右移动了一个位置。 通过将一定规则变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷包就能沿半导 体表面按一定方向移动。通常把c c d 电极分为几组，每一组成为一相，并施加同 样的时钟脉冲。c c d 的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图v 所示的 结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图3 6 ( 0 所示，这样的c c d 称为三相c c d 。 三相c c d 的电荷耦合( 传输) 方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一定的方 向逐单元地转移。另外必须强调指出，c c d 电极间隙必须很小，电荷才能不受阻 碍地从一个电极向另一个电极转移，否则c c d 便不能在外部脉冲作用下正常工作。 一 。如= o岍上一身 。叭上=兰的 。如上一 -o 如上= 一 9帆上i；5一时 如上一 o 知卜i = 重庆大学硕士学位论文 3l e d 测量系统的开发与研究 能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。 理论计算和实验证实，为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒， 间隙的长度应小于3 p m 。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。 当然如果氧化层厚度，表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数c c d ，l g m 的间隙长度是足够小的。以电子为信号电荷的c c d 称为n 型沟道c c d ，简称为 n 型c c d 。而以空穴为信号电荷的c c d 称为p 型沟道c c d ，简称为p 型c c d 。 由于电子的迁移率( 单位场强下的运动速度) 远大于空穴的迁移率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作频率高很多。 电荷的检测 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。c c d 的重要特性之一是 信号电荷在转移过程中与时钟电荷脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避 免。因此。选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输出电路 的程度。目前c c d 的输出方式主要有电流输出，浮置扩散放大器输出和浮置栅放 大器输出。 3 2 2c c d 光谱仪的原理 光谱检测的原理一般是通过光电接受元件将待测谱线的光强转换为光电流， 而光电流由积分电容累积，其电压与入射光的光强成正比，测量积分电容器上的 电压，便获得相应的谱线强度的信息。 c c d 光谱仪是用于快速测定光谱的装置，主要包括分光系统，信号处理与数 据采集硬件系统。图3 7 所示为，c c d 光谱仪工作原理图： 图3 7c c d 光谱仪工作原理图 f i g u r e 3 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec c ds p e c t r o m e t e r 光源发出的光经聚光镜l 成像在光谱仪的入射狭缝s 处，经过光栅g 分光后的 衍射光成像在c c d 的感光面上。由于取消了出射狭缝，c c d 可以同时接收到较宽 的波带，并将此信息最终以视频信号方式输出到工控机。 光谱仪中的线性阵列c c d 像素个数可以和波长建立函数关系。如测量可见光 谱3 8 0 n m - - - 7 8 0 n m ，把这一段的光谱按步长