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浙江工业大学硕士学位论文 大功率l e d 全自动分拣机的开发研究 摘要 本课题研究的大功率l e d 全自动分拣机采用光，机，电结合的方法，对 l e d 的光参数和电参数迸行联合检测，并根据预先设定的检测标准，结合检 测结果进行自动分类。 本文首先介绍了大功率l e d 的主要特性参数，引入了l e d 部分光通量 的概念，并对l e d 各参数测试方法进行了分析，结果表明l e d 色度学参数 归根结底都可以由相对光谱功率分布函数p ( ”计算得到，因此p ( ”的测试精 度将直接影响到l e d 色度学参数的测试准确度。 在明确了l e d 主要特性参数和测试方法的基础上，本文介绍了大功率 l e d 全自动分拣机的研制，主要包括机械系统，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 测试仪，p l c 则用于控制机械系统的运行：测试系统采用 高精度的制冷级c c d 为感光元件，并引入了大口径微积分球光学取样技术、 分光积分法相结合的光度测试技术和恒结点电压控温技术。 最后，本文对大功率l e d 自动分类进行了研究探讨，确定l e d 正向电 压，部分光通量，波长作为分拣机的分类参数，并对l e d 分拣机样机进行了 实验，结果表明样机分类效果良好，基本符合设计要求。 整个分拣机软件界面清晰，结构合理，使用灵活，方便用户的测试与调 试。该分拣机是半导体照明产业化不可缺省的标志性关键设备之一，它的研 浙江工业大学硕士学位论文 制成功必将有力的推动半导体产业化进程。 关键词：大功率l e d ，在线测试，自动分拣，光电测试 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g na n ds t u d y o fa u t o m a t i cs o i u i n g m a c h i n eo fh i g hp o w e rl e d a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cs o r t i n gm a c h i n eo fh i 曲p o w e rl e dt h a ts t u d i e di nt h i s s u b j e c ti n v o l v e so p t i c s ，m e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s t h i sm a c h i n ei su s e dt ot e s t l e d s o p t i ca n de l e c t r o n i c a lp a r a m e t e r s ，a n dt h e ns o r tt h e ma c c o r d i n gt ot h e r e s u l t sa n d p a r a m e t e r si n p u tb yt h eu s e ra u t o m a t i c a l l y i nt h eb e g i n n i n g , t h em a i np a r a m e t e r sa n dt h ec o n c e p t i o no f p a r t i a ll e df l u x i si n t r o d u c e d t h ew a y so f t e s t i n ga r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e l a t i v e s p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o np ( 柚i st h em o s ti m p o r t a n tc h r o m ap a r a m e t e r , a l lo t h e r p a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e df r o mp ( x ) ，s ot h ea c c u r a c yo fp ( 九) h a sd i r e c ti m p a c t t ot h ea c c u r a c yo f c h r o m ap a r a m e t e r so f h i g h p o w e rl e d s a l lt h es t u d ya r e a so ft 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 e m a c h i n ei si n t r o d u c e d i ti n c l u d e st h ed e s i g n i n gf o rm e c h a n i c a lp a r t ，c o n t r o l l i n g p 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 gs y s t e mi sr e a l i z e db yt h e t e c h n o l o g yo fp c & p l c ，p cc o n t r o l l si n s t r u m e n t su s e di nt h el e dt e s t i n ga n d p 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 o o lc c da s d e t e c t i n ge m m a n ta n di ti n t r o d u c e ds p e c t r a lc o r r e c t i o ni n t e g r a l p h o t o m e t r y t e c h n o l o g y 、l a r g ec a l i b e rc o n n e c t i o ns m a l li n t e g r a t i n gs p h e r et e c h n o l o g ya n d t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e db yv o l t a g et e c h n o l o g y 浙江工业大学硕士学位论文 a tl a s t ，t h ew a yo fa u t o m a t i cs o r t i n go fl e d si sd i s c u s s e da n ds t u d i e d t h e p a r a m e t e r sw h i c hs e l e c t e d a s e l a s s i l 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 e p a r a m e t e r s a r e p o s i t i v ev o l t a g e ，p a r t i a l l e df l u xa n d w a v e l e n g t h a c t u a l m e a s u r e m e n tw a sd o n e ，t h er e s u l t sp r o v et h a tt h i sm a c h i n ep e r f o r m sw e l li nt h e o n l i n et e s ta n da c c o r d sw i t ht h ed e m a n do f d e s i g n 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 es t r u c t u r ei s r a t i o n a l ，i ti s c o n v e n i e n tf o rt e s t i n ga n d a d j u s t i n g t h es u c c e s so ft h em a c h i n e sd e s i g n i n gw i l l p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ri l l u m i n a t ei n d u s t r ye f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：h i g h - p o w e rl e d ，o n l i n et e s t ，a u t o m a t i c s o r t i n g ，o p t i c a la n d e l e c t r i c a lt e s t 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的研究成果。除文中已经加e 晰娃引用的内容外，本论文不包含其他个 或集体已l l 戮表 或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的 材料。对本文的研究作出重要贡献自鲁个 和集体，均已在文中以明确方式标明。本 、承担 本声明的法律责任。 作糍： 了膨k日期：肋7 年胆月彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论史作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工 业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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本拐踯炜。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打t 寸，) 作粼： 7 帕k 日期：砷年月衫日 导燃2 多万武日期咿，。月z 7 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1l e d 发光原理 第一章绪论 l e d 是由i l i i v 族化合物，如6 a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 、g a a s p ( 砷磷化镓) 等半导 体材料制成的，其核心是p n 结。因此它具有一般p - n 结的i v 特性，即正向导通，反向 截止、击穿特性。图1 1 为l e d 的发光原理图，图1 - 1 ( a ) 表示热平衡状态下p n 结的能带 图，图中v 表示价带，e f 表示费米能级，d 表示施主能级，& 表示禁带宽度，在n 区导 带上，实心点表示自由电子。在p 区价带上，空心点表示自由空穴。在n 区导带底附近有 浅施主能级d ，由于施主电离，向导带提供大量电子。因此在n 区的多数载流子是电子。 同样，在p 区，浅受主能级a 电离，向导带提供大量空穴。因此，p 区的多数载流子是空 穴。在热平衡时，n 区和p 区的费米能级是一致的。图1 1 ( b ) 示在p n 结加正向电压时， a ) v 图1 - 1l e d 发光原理简图 p n 结势垒降低，结果出现了n 区电子注入到p 区，p 区的空穴注入到n 区的非平衡状态。 这些注入的电子和空穴在p n 结附近发生复合，并将多余的能量以光的形式释放出来，从 而观察到p n 结发光。这种发光也称为注入发光。此外，一些电子被无辐射复合中，t l , 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【1 1 嘲。实际情况下， 不同材料制备的l e d 结构有所不同，具体发光情况也有所不同，但基本原理相近。对于直 接跃迁发光的l e d 其峰值波长可按式1 1 的关系求得。 五= 胁厥 ( 1 - 1 ) 浙江工业大学硕士学位论文 式中九为发出光子的波长，c 为光速( c = 2 9 9 7 9 x i 0 8 m s ) ，h 为普朗克常数，即有： 五= 1 2 3 9 6 e g ( 1 - 2 ) 可见光的长波限为7 8 0 r i m ( 红光) ，所以可见光的发光材料e g 必须大于1 5 8 e v ；可见 光的短波限为3 8 0 n m ( 紫光) ，此时e g 的最大值为3 2 6 e v 。这就是说禁带宽度为 16 3 e v 3 2 6 e v 的材料，p n 结发出的光为可见光1 3 】。 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 【4 】【5 1 【6 l ： ( 1 ) 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。 ( 2 ) u v l 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。 ( 3 ) 蓝光l e d + y a g 荧光粉 以功率型g a b 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。 1 2l e d 发展史及展望 早在1 9 0 7 年，就曾经报道过，在金刚砂晶体通以正，反两个方向的电流时可看到发光 现象。最早的l e d 诞生于1 9 6 2 年，美国通用电气公司的霍洛亚克博士用化合物半导体材料 磷砷化镓( g a a s p ) 研制出发红光的l e d 。 l e d 问世至今，人们通过对新型材料的探索、发光材料生产工艺的研究以及封装工艺 的改进等途径，使得l e d 在发光效率、全彩显示以及器件的稳定性方面都取得了巨大的进 步。而随着l e d 性能的不断提高，又使其应用领域不断拓展。从历史上看，l e d 从技术 发展及应用方面可以分为以下3 个阶段： ( 1 ) 指示应用阶段。2 0 世纪8 0 年代之前，l e d 发光材料主要是以g a a s p 三元化合物为主， 通过其不同的组分配比，得到红，绿，黄等颜色。该时期的l e d 光效仅为l l m w ，而且亮 度低，价格比较昂贵。在当时，人们只是把它用作电子产品的指示灯，这种应用仅要求l e d 2 浙江工业大学硕士学位论文 亮或者不亮，显示工作状态。 ( 2 ) 信号、显示阶段。进入2 0 世纪8 0 年代之后，人们开始采用a i g a a s 材料作为l e d 发 光材料，光效大大提高。在8 0 年代后期到9 0 年代初，被大量应用在室外显示屏和汽车高 位刹车灯上，但是此种材料光衰较大。8 0 年代后期，随着金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 技术的成熟，人们开始研究以a u n g a p 为材料系的红光、黄光l e d 。随着其芯片结构及衬 底技术的不断进步，a i l n g a p 四元材料已经成为今天最重要的高亮度l e d 材料之一，橙光， 黄光l e d 的发光效率分别达到1 0 0 1 m w 和6 8 1 m w , 主要应用在交通信号灯、汽车信号灯等 领域。 ( 3 ) 全彩应用及照明阶段。1 9 9 4 年，日本科学家中村在g a n 基片上研制出第一只蓝光l e d ， 这个里程碑的发现，不仅使l e d 的全彩应用成为可能，而且使得人们可以通过混色的方式 来获得白光。采用在蓝光芯片上覆盖发黄光的荧光粉制成的超高亮度白光l e d ，其光效已 经达到5 0 1 m w ，显色指数达8 0 以上。白光l e d 性能的大幅提高，有力地推动l e d 走向 照明领域。目前，l e d 已经被广泛应用在装饰照明和辅助照明领域，在一般照明领域的应 用也已启动，当然其普及还有待于白光l e d 性价比的迸一步提高i 。 在过去的4 0 年中，正如海茨定律所预示的那样，每1 5 年 2 年，单颗l e d 的光通量 就提高1 倍，尤其是近5 年来，随着大功率l e d 面世，l e d 已逐渐显现出它作为照明光 源的的巨大潜力。图1 2 为相关研究机构对白光l e d 性能的乐观估计。 1 3 大功率l e d 与l e d 照明 图1 - 2 自光l e d 发展展望 l e d 应用范围不段扩大，尤其是其在照明领域的应用对l e d 的发光强度提出了更高的 要求。我们知道l e d 的发光强度与正向电流i f 几乎成线性关系，即增加正向电流i f 可增加 浙江工业大学硕士学位论文 发光强度。但l e d 有一个最大功耗p d 值的限制，p d = v f x i f ( r e 为正向压降) ，若过大地增 加i f 丽使p d 超过最大值时，l e d 会因过热雨损坏。为了提高l e d 的发光强度，入们开发出 大功率l e d ，其功率般为1 i o w ，工作电流一般为3 5 帖7 0 0 m a ，有些可达1 4 0 0 i n a 【7 】嗍。 大功率l e d 作为照明光源有以下优点： ( 1 ) 属于固体器件，因此机械强度大，耐振动和耐冲击能力强； ( 2 ) 耗电量低：光效为7 5 h i 删的l e d 较同等亮度的白炽灯耗电减少约8 0 ； ( 3 ) 寿命长：产品寿命长达5 万小时，2 4 小时连续点亮可用7 年； ( 4 ) 响应速度快，使亮度和色彩的动态控制更加容易： ( 5 ) 体积小，重量轻，设计空间大，可实现与建筑的有机融合； ( 6 ) 环保：无有害金属汞，无红外和紫外线辐射； ( 7 ) 颜色：可实现多变、逐变、混光效果，显色效果极佳。 表1 1 为l e d 与传统照明光源的对比列表。 表1 1l e d 与传统照明光源的对比 灯种光效( i r a w ) 显色指数( r a )寿命( k h )成本( 美元l 【l n l ) 白炽灯 5 0 w 1 5 1 0 0l o 5 ( 已无发展 2 5 w8 1 0 0 35 空间) 荧光灯直管 7 0 1 0 07 0 - - 9 02 0 o ，5 ( 发展空间 紧凑型 5 5 0 08 21 05 - 1 0 有限) 2 0 0 3 焦2 0 0 07 52 02 5 0 5 0 0 现在 4 0 巧07 85 06 0 一1 0 0 白光l e d 目标 l o o ，1 5 08 0 - - 9 0l o o 1 0 改进3 倍1 2 倍2 倍6 1 0 由表1 1 可以发现，目前l e d 照明光源与一般照明光源相比还有一些差距，但是l e d 性 能的提升仍有很大的发展空间。我们有理由相信l e d 将会在照明领域得到巨大的应用【n 。 目前，照明消耗约占整个电力消耗的2 0 ，大大降低照明用电是节省能源的重要途径。 美国，日本等国家及台湾地区对l e d 照明效益进行了预测，美国5 5 的白炽灯、日光灯被 l e d 取代，每年可节省3 5 0 亿美元电费，每年可减少7 5 5 亿吨二氧化碳排放量。日本1 0 0 4 浙江工业大学硕士学位论文 的白炽灯换成l e d ，可减少1 2 座核电站发电量，每年可节省1 0 亿公升以上原油消耗。台湾 地区2 5 的自炽灯及1 0 0 日光灯被l e d 取代，每年可节省1 1 0 亿度电。l e d 照明灯还将会 形成5 0 0 亿美元的巨大产业市场【9 】。 近年来，美国、日本、欧盟、韩国等相继推出国家半导体照明计划，以加大研究开发力 皮。比如日本投资5 0 亿日元推行“2 1 世纪光计划”，提出2 0 0 6 年就要用半导体灯大规模替代 传统白炽灯；美国能源部设立了由1 3 个国家重点实验室、公司和大学参加的“半导体照明 国家研究项目”，计划用l o 年时间，耗资5 亿美元开发半导体照明；欧盟则委托6 个大公司 和两所大学，于2 0 0 0 年7 月启动了“彩虹计划”。与此同时，通用电气、飞利浦、哭斯拉姆 集团都已经启动大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立半导体照明 企业【1 0 1 1 1 1 。 继美国的“下一代照明计划”，日本的“2 1 世纪照明计划”，欧盟的“彩虹计划” 和韩国的“固态照明计划”后，2 0 0 3 年我国成立国家半导体照明工程小组，旨在整合资 源、快速推进l e d 进入照明市场。据中国工程院陈良惠院士预测，我国在2 0 0 5 2 0 1 5 年 闻，半导体照明可累计节能4 0 0 0 亿度电，为用户节约2 6 0 0 亿元的电费支出，创造1 5 0 0 亿 元产值，解决1 0 0 万人口的就业。届时，半导体照明每年节约的电能将超过“巨无霸l 三峡电站的全年发电量! 在能源日益短缺的背景下，利用l e d 的节能特点，发展l e d 照明 正是对政府提出的建设节约型社会的积极响应f 1 2 1 。 1 4 大功率l e d 相关测试仪器现状 目前，国内众多l e d 封装企业都涉足l e d 的生产，同时国内也开发了一系列的测试 仪器。如杭州远方光电信息有限公司推出l e d 3 0 0 在线光谱分析系统，内置程控恒流源， 恒压源，极性切换装置和快速光谱仪，可以实现大功率l e d 光度、色度及电性能参数的快 速测试，能满足大功率l e d 全自动测试的要求。另外杭州虹谱光电科技有限公司生产的 h f 8 0 0 0 系列大功率l e d 光色电测试机，杭州中为光电技术有限公司生产的z w l 6 6 0 分光 分色机等都能实现大功率l e d 光色电参数的测试。 国外也有众多公司致力l e d 光电参数测试仪器的研制与生产。美国o p t r o n i c l a b o r a t o r i e s 的0 l 7 7 0 与德国的c a s l 4 0 b 能完成l e d 光度，色度参数快速高精度分析测 试，l a b s p h e r e 公司的c d s l l 0 0 和c d s 2 1 0 0 阵列式光谱仪能对各种大小光源作完整光谱辐 照度，光度和色度测定，提供了宽的光谱范围。可用来对l e d 平均光谱强度进行可重复性 测定，其它如a o t 公司，o c e a n o p t i e s 公司生产的l e d 测试仪也都能完成l e d 参数的测 s 浙江工业大学硕士学位论文 试。 1 5 本课题的研究工作 与传统光源不同，l e d 的光，电参数有较大的离散性，而大功率l e d 的离散性更大， 这主要是由l e d 芯片制作的复杂工艺所决定的，目前的工艺水平很难保证将l e d 的光、 电参数离散度控制在较小的范围内，为了保证l e d 应用中的一致性，目前的做法是在生产 过程中对l e d 按照主波长，发光强度，光通量，色纯度，色温，工作电压，工作电流等关 键参数进行测试和分级。 本课题的研究旨在开发能自动实现大功率l e d 快速分级的测试机，主要研究工作如下： ( 1 ) 确定l e d 的测试参数，并根据各参数的特点设计在线测试系统。 ( 2 ) 根据大功率l e d 的封装特点完成分拣机机械系统和控制系统的设计。 ( 3 ) 编写控制软件与测试软件，完成测试数据的定标，校准及相关的计算。 ( 4 ) 对测试数据进行分析，确定合适的分类标准。 1 6 本章小结 本章主要介绍了l e d 的发光原理，发展历程，大功率l e d 作为照明光源的优点和l e d 照明的现状和发展前景，同时简单介绍了大功率相关测试仪的发展现状，最后介绍了本课 题的主要研究工作。 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 电学参数 第二章大功率l e d 光电参数与测量方法 电学参数是衡量l e d 能否正常工作的基本依据，主要包括正向电压，正向电流，反向 电压，反向电流。 ( 1 ) 正向电压v f 通过l e d 的正向电流为恒定值时，l e d 两端产生的电压降。 ( 2 ) 正向电流i f 额定功率下，允许通过l e d 的电流。 ( 3 ) 反向电压v r 通过l e d 的反向电流为恒定值时，l e d 两端产生的电压降。 ( 4 ) 反向电流吸 在规定反向电压条件下，流过l e d 的电流值。 为了使不同l e d 的测试结果有可比性，在实际测量过程中，一般采用恒流源来驱动待 测l e d ，恒流源电流值则由测试对象的参数特性决定，如对于e m i t t e r 型大功率l e d ，l e d 的额定功率与驱动电流可有表2 1 所示的对应关系。 表2 - 1e m i t t e r 型大功率l e d 额定功率与驱动电流对应关系列表 l 1 w3 w5 w l 3 5 0 m a 7 0 0 m a7 0 0 m a 1 2 2 光学参数 l e d 作为一个光源，它的光学参数包括光和辐射在空间分布的能量参数、光和辐射能 量的光谱分布参数及它们在人眼中所引起的心理响应。l e d 的光学特征参数包括：光通量、 发光强度、相对光谱功率分布特性、峰值波长和峰值波长半宽度等，这些都是衡量l e d 作 为一个光源的发光特性的主要参数f 1 3 1 。 ( 1 ) 光通量与发光效率 7 浙江工业大学硕士学位论文 光通量是指光源发射的并能为人眼所接收辐射能量的总和，这里表示l e d 单位时间内 在3 6 0 。空间发射可见光能量的总和，其可由式2 1 1 表示，式中3 8 0 7 8 0 n m 为可见光的光 谱范围，p ( 九) 为l e d 的相对光谱功率分布，k 为常数“4 1 ， 7 雩 盛= 6 8 3 k xie ( a ) z ( 兄) d 旯 ( 2 1 ) 3 函 v ( 丸) 为c i e 标准光谱光效率函数。 光通量的测量通常有两种方法：一是在积分球内用已知光通量的标准灯与被测灯作比 较测量，从而定出被测灯的光通量。另一种方法是用分布式光度计测定被测光源在空间各 个方向上的发光强度，计算后得到光通量。使用积分球测量时所用光电探头应该具有c i e 标准光度观测者光谱光效率函数的光谱响应嗍。 测得l e d 工作电压v f ，工作电流礤，光通量如后就可以由式2 - 2 求得l e d 的发光 效率n ： r = 吮( i f x v f ) ( 2 - 2 ) 发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标1 6 】【1 刀。 ( 2 ) 发光强度 光强是描述光源光度特性最重要的参量，它表征了光源某个方向上的发光强弱，l e d 在不同空间角度光强相差很大，它直接影响到l e d 显示装置的最小观察角。 对于一般光源而言，光强测定都是在“远场”条件【1 8 】下进行，光源和探测器之间距离 比光源的发光面积大得多，且探测器的直径远比测量距离小，而在进行l e d 测量时，距离 仅几厘米，探测器接收面的尺寸也不是很小，这样测得的将是光强的平均值而且这一平均 值与测量的几何条件有关。由于各个实验室测量条件不同，测量结果之间没有可比性。为 此，国际照明委员会( c i e ) 引入了平均光强的概念1 1 9 ：照射在离l e d 一定距离处的光探 测器上的光通量耷与由探测器构成的立体角q 的比值，立体角q 为探测器面积( s ) 与测量距离 ( d ) 平方的比值，见式2 3 ： 扛差= 赤d ( 2 - 3 ) qs | l ? c i e 出版物n o 1 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 ，如表2 - 2 所示 2 0 1 1 2 1 。 8 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - 2c i e 规定l e d 平均光强的条件a 和条件b 测量距离( m m ) 探测器压积( 删n 2 )立体角( s r )平面角( 度) 条件a 3 1 61 0 00 o o l2 。 条件b 1 0 01 0 00 0 16 5 。 ( 3 ) 光谱功率分布 光谱功率( 能量) 分布p ( 九) 表示在l e d 光辐射波长范围内，各个波长的辐射功率分布 情况，是包括l e d 颜色在内的所有光学特性评价的基础嘲。通常采用光谱辐射计迸行测量。 目前在世界范围内，大多采用c c d 光谱仪加小光纤输入的形式。输入光纤是一个重要的误 差源，通常用0 3 c m 2 的输入光纤，而不是c i e l 2 7 所要求的1 c m 2 ，解决的办法是采用积分 球，光纤组合，可获得优秀的空间均匀性j 。 在实际场合中通常用相对光谱功率分布来表示。光谱密度与波长之间的函数关系称为 光谱分布。以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布，称为相对光谱能 量( 功率) 分布p ( 柚。若以光谱波长九为横坐标，相对光谱能量分布p ( 九) 为纵坐标，就可以绘 制出光源相对光谱能量分布曲线。知道了光源的相对光谱能量分布，就知道了光源的颜色 特性。反过来说，光源的颜色特性，取决于在发出的光线中，不同波长上的相对能量比例， 而与光谱密度的绝对值无关。绝对值的大小只反映光的强弱，不会引起光源颜色的变化 2 4 1 。 2 3 色度参数 l e d 的光辐射和自然界的所有颜色一样会对人眼产生视觉刺激，人们根据自己的感受 评价l e d 的颜色特性，关于颜色的测量和标准应该符合人眼的观测结果。但是，人眼的颜 色特性对于不同的观测者或多或少会有差异，因此要求根据大量的观测者的颜色视觉实 验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据标准色度观测者光谱三刺激值，代表人 眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的测量和计算。光谱主波长与色纯度的概念来源于色 度学。入眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明 协会( c i e ) 根据标准观测者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以记 录，在r g b 系统的基础上采用设想的三原色) ( ，y ，z ( 代表红色，绿色和蓝色) ，建立了 c i e 一1 9 3 1 色度图，同时将匹配等能光谱各种颜色的三原色数据标准化，确定了“c i e 1 9 3 1 0 x y z 标准色度学系统”。计算出三原色的配色函数，经过数学转换后即得所谓的c i e 9 浙江工业大学硕士学位论文 1 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值曲线，如图2 1 所示，将人眼对可见光的刺激值以x y z 表示。根据此配色函数，后续发展出数种色彩度量定义，使人们得以对色彩加以描述运用。 图2 1c i e l 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值曲线 对于可见光，任何一种光源的颜色均可以用c m 于1 9 3 1 年建立的一个两维色度空间中 的一点( x ，y ) 和亮度来表示。只要测量得到l e d 的光谱能量分布函数p ( 柚，就可计算它发出 光的颜色三刺激值和色度坐标。从而进一步计算出色温，色纯度和主波长【堋。 色品坐标的计算首先要求取光源的相对光谱功率分布p ( 九) ，然后可按式2 4 【2 5 1 计算 f 拈磁，只m m jy ：五j j 只灭五，d 五 c z 4 ， f。 lz = 以g ：( x ) d x 由于除黑体之外，一般光源的光谱功率分布很难以显函数的形式表示，这时就不能用 积分计算，而要改用累加的方式，所以在实际中，常用的表示式为： e 嚣 协；， i拦一 lz ；k 只：( z ) 以 式2 4 ，2 5 中k 。= 6 8 3 l 州w ，当不需要计算光源的光通量，而只要计算色度坐标时，就不必求 浙江工业大学硕士学位论文 出x ，y ，z 的绝对值，只要求出它们的相对值，k m 可用k 7 代替，k b h 下式确定这样光源的 肚矿旦 ( 2 6 ) j p ( ) 歹( 五m y 值就被调整到1 0 0 。 根据颜色的三刺激值即可求出c m l 9 3 l 色品坐标x ，y 及c i e l 9 6 0 均匀色品坐标 fz = 丢b j y = 高 像， i = 志 l 矿= ! 1 2 3 2 主波长，中心波长，峰值波长的计算 7 h 于x + y + z = 1 ，我们只需画出x j y 坐标平面图就可以表示整个的颜色空间。此x - y 平面图 称作标准色品图( c i e l 9 3 1 ) ，见图2 - 2 。所有纯色波长对应的x - y 坐标在标准色品图中形成 了一条马蹄形的包络线，所有混合色对应的坐标全部落在这条曲线范围内。曲线右上部与 直线x 十y = 1 重合【2 6 1 。 0 9 0 8 0 7 p 1 2 6 0 5 y 0 4 0 3 a 2 0 1 0 警、掣 ， 弋 占 0 m 5 玉 d识一0r y l 、曰口 、繁7 锄 5 蚨弋 1 0 i “呷鼍h 辛 kv1 屯k r x 图2 - 2c i e l 9 3 1 色品图 图2 2 中，从3 8 0 n m 至l j 7 8 0 n m 的弧形曲线为单色光颜色的色品坐标，是光谱颜色轨迹。 在色品图中心的w k o 3 3 3 3 , 0 3 3 3 3 ) 点代表等能白光的色品坐标，其由三原色的各三分之一 单位混合而成，称为参照照明体。若某一实际颜色的色品坐标为s ( ，y i ) ，连接w e 和s l ， 浙江工业大学硕士学位论文 并延长使之与光谱轨线相交于乃，则我们称乃为颜色s l 以w e 为参照照明体时的“主波长”， 并不是所有颜色都有主波长，光谱轨线开口两端和w 撕构成的三角形内，如图中虚线下三 角形内，所表示的颜色没有主波长，如图中n 点，连接n 点与w e 点并延长交光谱轨线于p 点，如图2 2 所示，p 点所对应的波长并不是n 点的主波长，而是其补色的波长，称n 的补色 波长。 光源的相对光谱功率分布为p ( 五) ，其最大值所对应的波长以称为它的峰值波长，而 其中心波长定义为： ，一。互p ( 2 脚 ( 2 8 ) 五= 驾船。一 “0 7 p ( 五) 从 2 3 3 色纯度的计算 纯度是主波长描述颜色时的辅助表示，以百分比计。其定义为某一颜色的色品坐标 s ( 而，y t ) 至参照照明体色品坐标w e ( 0 3 3 3 3 ，0 3 3 3 3 ) 直线距离与参照照明体色品坐标 w e ( o 3 3 3 3 ，0 3 3 3 3 ) 至该颜色主波长所在色品坐标直线距离的百分比，如图2 2 ，可按下式计 算色纯度p ： p = 锗 协， 色纯度愈高，代表该颜色的色品坐标愈接近其主波长的光谱色，纯度愈高愈适合以主 波长描述其颜色特性。 2 3 4 色温与相关色温的计算 光源的色温定义为与光源辐射颜色相同时的黑体温度，但实际光源光谱功率分布不可 能与黑体完全一致，这就延伸出相关色温的概念。在c i e1 9 6 0 uc s 图中，与光源色坐标最 靠近的黑体色坐标点所对应的黑体温度称为光源的相关色温。一般来说色温高表示蓝，绿 光的成分多些，色温低则橙，红光的成分多些。 在各温度下黑体辐射所呈现的色度可在色度图上标出曲线，称之为普朗克轨迹【9 】。但 大多数光源的色度通常不落在普朗克轨迹上。这就要根据相关色温的定义，比较光源的色 度点和相邻的一些黑体点之间的“色距离”。因为x y 色度图中直线距离不与“色距离”成 比例，所以这时最好用u - y 色度图，如图2 3 所示，图中给出了黑体轨迹曲线和等相关色温 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 线。根据求得的待测光源的色坐标，就可以查出该光源的色温或相关色温。 2 3 5 显色指数 图2 - 3u - v 色度图中的黑体轨迹和等色温线 如果用光谱功率分布不同的光源去照明物体，一般来说，产生的颜色感觉是不一样的。 光源的这种决定被照物体颜色感觉的性质称为显色性，它是照明光源的重要特征之一。c i e 根据各个国家对光源显色特性的研究成果，在c i e 第1 3 2 号出版物中，提出以实验色方法 来考察光源的显色特性。 在求出光源的x , y 和l l ，v 色品坐标后，根据c i e 计算光源显色指数用实验色的光谱幅 亮度因数表，算出在待测光源下，各颜色样品的x i ，y l 和t l i , v i 以及亮度因数y i 色度坐标要 算到小数点后四位。 根据待测光源的色度坐标值，确定光源的相关色温，选定合适参照照明体，由于待测 光源和参照照明体的色度不完全相同，故使视觉处于不同的颜色适应状态下，为了处理两 种照明下的色适应度，必须将待测光源的是色度坐标调整为参照照明体下的色度坐标u ，v f 这时，在待测光源照明下的各颜色样品i 的色度坐标u l ，v i 也要作按式( 2 1 0 ) 的调整，成 为w ，v ，这种色坐标的调整称为适应性色位移。 式中，待测光源的c ，d ，参照照明体的c 。d ，以及待测光源下的各颜色样品的c i ，d i 均由下式 计算： 卑可再弦亭。| 弦 萼 一懈 泡一舭 | | l | ；| ； 爹 浙江工业大学硕士学位论文 甓意。4 。m f 彬“= 2 5 e “1 7 ， 配。= 1 3 形。一蚱 2 1 2 l 形。= 1 3 形。( 一_ ) 在参照照明体下，各色样的c i e l 9 6 4 颜色空间坐标+ ，和+ 可由国家标准 巨= 【( c ，_ 一u 。) 2 + ( k 一“) 2 + ( 降- 一彬。) 2 】 ( 2 1 3 ) 2 4 本章小结 本章介绍了大功率l e d 相关参数的物理意义并对各参数的测量和计算进行了理论分 析，为后面测试系统的设计和性能分析提供了理论依据。通过本章的介绍，我们可以发现 l e d 色度学参数归根结底都可以由相对光谱功率分布函数p 计算得到，因此p ( 九) 的测试 精度将直接影响到l e d 色度学参数的测试准确度。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 第三章机械系统的开发与研究 本课题研究过程中，无论是从l e d 的自动排序到l e d 准确定位，上电，还是扶l e d 的传送到l e d 的分级，都离不开可靠的机械载体。整个分拣机的自动化最终都要靠可靠的 机械设计来实现。 3 1 机械系统的总体构架 本课题所研究大功率l e d 全自动分拣机的机械系统主要可分为j 序上料机构，定位上 电机构，送料机构和分类机构四部分。l e d 在整个分拣机机械系统中的运动流程如图3 - i 所示。整个机械机构的运动由电机与相应的凸轮机构驱动。 捧序上丰 机拘 ；定位上电机构i 送辩机构! 分类机拇 图3 - 1 大功率l e d 运动示意图 本课题所述大功率l e d 全自动分拣机是对l e d 成品进行分拣，而由于大功率l e d 成品封装形式多种多样，且各种不同l e d 封装之间差异较大，如图3 - 2 所示，很难设计通 用的机械系统。所以在进行机械系统的设计之前，应先选定一种l e d 作为分选对象。本文 选择图3 - 2 ( a ) 所示e m i t r e r 型l e d 作为分选对象。这也是目前市场上最常见的大功 率l e d 封装形式。 图3 - 2 大功率l e d 部分封装形式 3 2 排序上料机构与定位上电机构 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 1 排序上料机构 系统排序上料机构主要完成l e d 的自动排序与单排进料，本课题采用外购适合 e m i t t e rl e d 封装特性的振动盘与平行引导槽实现，图3 - 3 所示为l e d 排序上料机构实 物图。 图3 - 3 大功率l e d 排序、上料实物图 平行引导槽的尺寸必须要与被测l e d 的封装尺寸吻合，过松的轨道会引起l e d 排序 混乱，影响后续测试工作的正常进行，甚至导致l e d 的损坏，过紧则会卡死。机构平行引 导槽两端相应的位置上设有光电探测器，用于对l e d 上料情况的监测，并实现对运行过程 中电机和振动盘启动停止状态的控制，当平行引导槽测试端l e d 数达到指定数量时，开 启电机，否则停止电机，若乎行引导槽上料过多，则停止振动盘动作，若上料过少，则重 新开启振动盘进行补给。为了防止l e d 在振动盘运动过程中摩擦起电，防止l e d 的静电 击穿，机构使用离子风扇对l e d 吹离子风。 3 r 2 2 定位机构 系统定位机构主要完成l e d 从平行引导槽到测试工位，再从测试工位到同步带的准确 定位与传送，是整个机械系统中要求最高的运动机构，它是光、机、电； 软件的结合点， 它的精密程度会直接影响光学和电学参数的测量精确度，该机构的设计偏差严重时会导致 测试失败，甚至l e d 的损坏与机器卡死，本课题采用带有特定间距卡口的定位板来实现， 如图3 - 4 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 一 一 犀步蒂测试工位 ( a ) 1 平移 6 y ， 二 后退，2 前进 5 上升1 3 下降 - ；二， 4 半移 图3 4 定位板及其运动轨迹示意图 图3 4 ( a ) 所示定位板在凸轮的带动下按图3 - 4 所示运动轨迹循环运行，第一次循 环，卡口a 将平行引导槽内的一个l e d 送入测试工位，l e d 在此工位完成光电参数的测 试，第二次循环，卡口b 将测试工位的l e d 送入同步芾位，同时卡口a 将下一个l e d 送 入测试工位，如此往复。由于定位板卡口之间的位置固定，所以l e d 每次的运动距离也是 固定的，这就保证了l e d 上电的成功率，同时也减少了测试参数的不确定度。 3 ，2 3 上电机构 系统上电机构主要完成l e d 的快速上电及电参数的测量，其机械结构图如图3 5 所示。 图3 - 5l e d 上电机构结构示意图 图中l 为大功率l e d ，2 为电极片，3 为拨杆，4 为固定架，5 为导轨，6 为测试槽， 7 弹簧，8 为滑块，9 为引出导线，l o 为电极孔，1 1 为电极支撑架，1 2 为固定孔。 图中固定架与凸轮相联，凸轮的运动带动固定架与滑块在导轨上做水平运动，当滑块 向后运动时，拨杆拨动电极片绕固定孔做顺时针运动，电极片与l e d 脱离，l e d 失电， 当滑块向前运动时，拨杆与电极片脱离，电极片在弹簧做用下作逆时针运动，