（微电子学与固体电子学专业论文）快速led分选测量系统的设计与实现.pdf

2 0 0 7 年0 5 月中国科学技术大学颀十学位论文 摘要 在屏幕显示及照明等应用领域中l e d 的需求量j 下在迅速增长，而且这些应 用领域中对l e d 光电参数一致性的要求很高。因此，在目前的l e d 制造工艺还 无法保证批量生产时l e d 光电参数的一致性的条件下，可用于快速l e d 分选的 高精度l e d 光电参数测量系统无疑具有非常巨大的市场需求。 本文为了解决l e d 生产中存在光电参数分布不均的问题，满足l e d 生产的 实际需要，在详细研究l e d 的发光原理、主要电性参数测量方法、光谱参数测 量方法及主要颜色参数计算方法的基础上给出了可用于l e d 快速分选的高精度 l e d 光电参数测量系统的软硬件设计方案。 在硬件方面，首先以s o c 单片机a d p c 8 4 1 为核心器件设计了系统的测控模 块电路，主要包括a d c 和d a c 的外围信号调理电路、单片机u a r t 接口与主 机c o m 的通信接口电路和测控系统与l e d 自动分拣机械控制系统的接口电路， 并设计了该接口电路的工作时序。其次设计了包含数控恒流源及数控恒压源的 l e d 电性参数测量电路和l e d 光强测量电路，然后给出了这两部分电路一些提 高测量精度的具体措施。最后，介绍了常用的两种光谱参数的测量方法，并根据 系统快速测量的特点，选用基于线阵c c d 探测器的微型光谱仪u s b 2 0 0 0 设计下 l e d 光谱参数测量单元。 在软件方面，首先详细说明了单片机测控系统的工作流程并给出了主要的测 控程序。其次介绍了串口通信模式的设置及设计了单片机与主机的串口通信协 议，给出了数据的发送接收流程。最后，在v i s u a lb a s i c 开发环境中编写了包括 人机界面模块、数据处理模块、光色参数计算模块和串口通信模块四大部分的主 机应用程序。 本文所设计的l e d 光电参数测量系统在实际的测量使用中，在快速完成l e d 主要光电参数测量的同时，具有较高的测量精度，完全能够满足实际应用的需要。 此外，通过在主机设计方便快捷的人机交互界面简化了对测量系统的操作步骤， 大大提高了测量系统的易用性。 关键词：发光二极管；快速分选；s o c 单片机：c c d 光谱仪 2 0 0 7 年月 中国科学技术大学硕卜学位论文 a b s t r a c t t h ed e m a n do fl e du s i n gi nt h es c r e e nd i s p l a ya n dt h ei l l u m i n a t i o nd o m a i n s k e e p so ni n c r e a s i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t h eo p t i c a la n de l e c t r i c a lp a r a m e t e r sn e e d t om a t c hv e r yw e l li nt h e s ea p p l i c a t i o n st og u a r a n t e et h ed i s p l a ye f f e c to ft h el e d s h o w e v e r , i nt h ep r o c e s so fl e dm a n u f a c t u r e ，t h e r ei sam a i np r o b l e mt h a tt h e p h o t o e l e c t r i cp a r a m e t e r so fl e d sm a yv a r yv e r ym u c h s oq u i t el a r g ei st h en e e do fa m e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hc a nm e a s u r ep h o t o e l e c t r i cp a r a m e t e r so fl e d sa n ds o r t t h e ma c c o r d i n g l y i n t h i st h e s i sw et r yt os o l v et h i sp r o b l e mt os a r i s f yt h ep r a c t i c a ln e e do fl e d m a n u f a c t u r e f i r s t l y ，w em a k ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o n so nt h ep r i n c i p l eo ft h el e d ，t h e m e a s u r e m e n tm e t h o d so ft h el e dp h o t o e l e c t r i cp a r a m e t e r sa n dt h ec a l c u l a t i o n m e t h o d so ft h el e dc o l o rp a r a m e t e r sf i r s t a n dt h e nw ep r e s e n tap r a c t i c a ls c h e m e i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o rf lm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hs a m p l e st h e p h o t o e l e c t r i ca n dc o l o rp a r a m e t e r so ft h el e da n dc a l lb eu t i l i z e dt os o r tt h el e d s r a p i d l y a tt h eh a r d w a r el e v e l ，w ed e s i g nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i tb a s e do ns o c m i c r o c o n t r o l l e ra d “c 8 4 1 ，i n c l u d i n gs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i tf o ra d c a n dd a c ， c o m m u n i c a t i o nc i r c u i tb e t w e e nt h eu a r to ft h em i c r o c o n t r o l l e ra n dt h ec o m p o r t o ft h eh o s tc o m p u t e ra n dc o n n e c t i n gp o r tw h i c hc a nl i n kt h ea u t os o r t i n gm a c h i n eo f l e d s a n dt h e nw ed e s i g nt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r sm e a s u r eu n i tc o n s i s t e do f n u m e r i c a lc o n t r o lc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ea n dc o n s t a n t v o l t a g es o u r c e ，a n dt h e m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rt h el u m i n o u si n t e n s i t y i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yw e a l s op r e s e n ts o m eo p t i m i z a t i o nm e t h o d s f i n a l l y , w ei n t r o d u c et w oc o m m o nm e t h o d s o ft h es p e c t r u mm e a s u r e m e n ta n dw ed e s i g nt h es p e c t r u mm e a s u r eu n i tb a s e do nt h e c c d s p e c t r o m e t e ru s b 2 0 0 0d u et oi t sh i g hs p e e d a tt h es o f t w a r el e v e l ，w ef i r s ti n t r o d u c et h ew o r k i n gf l o wo f t h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lu n i ta n dt h em a i np r o g r a mo ft h i sp a r ti sg i v e na sw e l l a n dt h e nw ei n t r o d u c e t h es e t t i n go ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r ta n dd e f i n et h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lb e t w e e nt h em i c r o c o n t r o l l e ra n dt h eh o s tc o m p u t e r t h es e n d i n ga n d r e c e i v i n gf l o w s o f t h ed a t aa r ea l s op r e s e n t e d a tl a s t ，w ep r o g r a mt h eh o s ta p p l i c a t i o n s o f t w a r eu s i n gv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，w h i c hc o n s i s t so fu s e ri n t e r f a c e s m o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，o p t i c a lp a r a m e t e r sc a l c u l a t i n gm o d u l ea n dt h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e 2 0 0 7 年0 5 月 中周科学技术大学硕f ，学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e mw ed e s i g ni nt h i st h e s i s a c h i e v e sp r e c i s ea n dr a p i dm e a s u r e m e n to fd e m a n d e dp a r a m e t e r s ，w h i c hc a ns a t i s f y t h en e e df o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s b e s i d e s ，t h ef r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e sd e s i g n e d i nt h eh o s ta p p l i c a t i o ns o f t w a r em a k et h eo p e r a t i o n so ft h ee n t i r es y s t e mm o r e c o n v e n i e m k e y w o r d s ：l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ；f a s ts o r t i n g ；s o cm i c r o c o n t r o l l e r ；c c d s p e c t r o m e t e r 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明新呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已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贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复剐手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 温海舢 叼年石月f 日 2 0 0 7 年0 5 月中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1l e d 的发展简述 l e d 作为种全固态显示器件，具有体积小、低功耗、寿命长、响应速度 快、可靠性高、色彩丰富、低压工作、驱动电路简单等优点，使其在仪器仪表、 通信、照明、交通等领域具有非常广泛的应用【1 】【2 】1 3 l 。因此，l e d 的研究发展一 直以来都受到高度的重视。 早在1 9 6 2 年，贝尔实验室、惠普、i b m 等公司就着手开发商用型发光二 极管l e d ，并于1 9 6 8 年利用g a a s p 研制出了商用6 5 5 n m 红色l e d 。 从7 0 年代初期到中期，l e d 技术进展很快，光效有了较大的提高，而且能 发出其他颜色的l e d 光源也相继面世，覆盏了从红色到黄绿色的光谱范围。 到了8 0 年代，高效的g a a i a s 和超高效h g 州p 发光材料的成功开发使 l e d 的发光效率大大提高，超高亮度的红色l e d 被制作出来，其光效达到l o 流明瓦。 进入9 0 年代以后，随着对第三代宽禁带半导体研究的不断深入，新工艺r 臻完善和不断推广，l e d 的研制取得了突破性的进展。在1 9 9 4 年，同本同亚公 司首先采用m o c v d 方法在蓝宝石衬底上制作了g a n 基的蓝光l e d ，光强达 1 c d ，并于1 9 9 5 年实现了商品化。g a n 发光效率高，抗辐射性能和耐热性能极 佳，强度和硬度高，并且耐酸性强，最适宜子制造短波长发光器件，发光波长范 围包括绿、蓝、紫等多种波段，普遍用来制造蓝光和绿光l e d 。在1 9 9 6 年，人 们受到荧光灯的启发，在蓝光l e d 芯片上均匀涂上一层铈激活的稀土石榴( y ， c d ) 3 ( a l ，g a ) 5 0 1 2 ( 简称y a g ：g e ) 荧光粉，该荧光粉可被蓝光有效激发产生黄光， 被激发出的黄光与剩余的蓝光有机的结合实现白光。l e d 发光材料发展进程表 1 一l 4 1 所示。 表1 - 1l e d 发光材料发展进程 发光材料时间说明 1 2l e d 应用及前景 2 0 0 7 年0 5 月中国科学技术大学硕士学位论文 l e d 作为一种具有众多优点的固态显示器件，在许多领域中具有广泛的应 用。在证券交易、金融信息显示领域中l e d 已占据了显示屏绝大部分市场。我 国的上海证券交易所、深圳证券交易所及全国上万家证券、金融营业机构大部分 都采用了l e d 显示屏。美国纽约时代广场纳斯达克大楼外的巨型屏幕是l e d 的 代表作，该屏幕是全球最大的显示屏幕，由1 9 0 0 力i 枚高亮度l e d 显示灯组成。 在交通显示领域，l e d 显示屏是机场航班信息显示系统的首选产品；采用l e d 显示品的交通灯也在各地随处可见；汽车的高位刹车灯、车内辅助照明灯也主要 采用l e d 。 但是。在9 0 年代中期以前，由于只有高亮度红光实现了产业化，而缺少高 亮度的蓝光和纯绿光l e d ，使得人们无法采用l e d 实现全彩色显示，大大限制 了l e d 的发展。随着日亚公司在9 0 年代中期采用g a n 材料研制出高亮度蓝光 和纯绿光l e d 并实现商品化，使得l e d 全彩显示得以实现，大大促进了l e d 显示产业的发展。由于l e d 具有低工作电压、低功耗、抗紫外线、长寿命、高 可靠性和廉价等优点，使人们把它看作取代目前荧光显像管的最有力竞争者1 5 j 。 目耵，采用全色l e d 制作的巨型彩电已广泛出现在街头、广场、商业中心以及 运动场所等地方。在2 0 0 5 年1 2 月，夏新公司宣布生产出中国首台l e d 电视机。 另外，t c l 、长虹、康佳和创维公司宣布联手投资l e d 显示产业。据i n s i g h tm e d i a 预测到2 0 1 0 年电视机等设备将开始采用l e d 屏幕。此外，l e d 还逐渐取代 c c f l ( c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p s ，冷阴极荧光灯) 光源作为液晶显示器的背 光源，目前l e d 背光源已广泛应用于手机、笔记本电脑中。 随着白光l e d 的研制成功，l e d 也开始在照明光源领域中得到广泛应用。 由于l e d 相对之前的照明光源，如白炽灯、荧光灯等，具有的体积小、低功耗、 寿命长、可靠性高等众多优点，而且随着半导体技术快速发展，自光l e d 的发 光效率也越来越高，目前商品化的l e d 己可达到白炽灯的发光水平，因此，l e d 已被公认为是继第一代光源白炽灯、第二代光源荧光灯以及第三代光源高强度气 体放电等后的第四代照明光源。由于白光l e d 作为照明光源完全符合绿色照明 工程节能与环保的要求，所以，目前各国政府、照明企业和公司注入极大的资金、 人力、物力去研究和开发白光l e d 光源。美国政府决定从2 0 0 0 - 2 0 1 0 年投入5 亿美元，实施“国家半导体照明研究计划”；同本早在1 9 9 8 年就制定了“2 1 世 纪光计划”，从1 9 9 8 年到2 0 0 2 年阊己投资5 0 亿开元进行了自光l e d 的丌发 研究【“。我国政府也对发展蓝光、白光l e d 给于高度重视，在“九五”和“十 五”计划中均列入科技部“8 6 3 ”及“9 7 3 ”计划，给于大笔经费资助。国家科技 部在“十血”期i q ，联合有关部门推出“半导体照明工程”，投巨资支持启动， 并己于2 0 0 3 年6 月成立协调领导小组。白光l e d 在我国的绿色照明工程中将起 2 2 0 0 7 年0 5 月 中图科学技术大学硕卜学位论文 着越来越重要的作用。 由于l e d 在屏幕显示，照明光源方面中具有非常庞大的市场规模及发展前 景，使得l e d 产业在近几年中一直在飞速的发展。从来自赛迪顾问公司的数据 p j 可以看出，从2 0 0 1 年到2 0 0 5 年这四年间，我国l e d 的市场规模已经扩大了 一倍。并且已在国内己形成了北京、大连、厦门、江西、以上海、杭卅l 为代表的 长三角州和以深圳、广州、佛山为主的珠江三角洲几大l e d 生产基地。 2 0 0 2 呲2 0 0 32 。0 42 0 0 5 图1 12 0 0 1 - 2 0 0 5 中国l e d 市场规模 1 3 l e d 生产存在的问题 在l e d 的实际应用中，对其颜色以及电性的一致性要求很高，尤其是大屏 幕显示等应用场合。由于大屏是由数以万计的像素组成的，每个像素都有红、绿、 蓝三基色l e d 管子构成，必须保证各个象素的配色正确良好，而且还要保证各 像素阃的颜色一致性，才能保证最终的色彩还原【引。但是由于半导体芯片及生产 工艺的限制，使得目前生产出来的l e d 存在光色、电性参数分稚不均匀等问题f 9 】。 即使是同一品牌同一批次同一档次的的l e d 亮度差值可达一倍以上，光色差用 肉跟就可以觉察出来，2 0 m a 工作电流下的j 下向电压最大相差达到0 5 v 以上。 对于作为照明光源的白光l e d ，由于需在蓝光l e d 芯片上涂上一层均匀的荧光 粉，因此，涂粉的工艺对l e d 发出的白光品质有着至关重要的影响。但是，在 大规模的l e d 自动化生产中，要保持对l e d 的涂粉一致性，是非常困难的。这 就导致了同一批次生产出来的白光l e d 中，由于涂粉的不均匀使得不同的l e d 发出的白光颜色不尽相同，有的偏蓝、有的偏红、有的偏绿、有的偏紫等等，大 大影响了白光l e d 的照明效果。 图1 - 2 ( a ) ( c ) 是从同一批次中随机挑选的1 0 0 颗中5 蓝色l e d 在正向电流为 2 0 m a 条件下的测量结果。从图中可以看出主波长的波动范围有几十n l l l 之多， 而主波长变化几个i l r n 时，人眼就已经可以分辨出来了；光强也有很大的变化， 2 0 0 7 年0 5 月中国科学技术大学硕 ：学位论文 即使是同一颜色的光，当其光强不同是，反映在人眼中其颜色也是有差异的。图 l 一2 ( d ) 是从同一批次中随机挑选的1 0 0 颗m 5 白色l e d 在正向电流为2 0 m a 条件 下的测量c i e1 9 3 1 色品坐标结果。将测量的色品坐标结果与c i e1 9 3 1 色度图1 0 l 对比，可知被测的白光l e d 中存在偏蓝绿、偏蓝的、偏紫的、偏粉红等多种颜 色。 o柏柏 1 十q ( a ) 主波长 口 啪f ” ( b ) 光强 ( d ) 正向电压 ( d ) 色品坐标 图1 2l e d 主要参数测量结果 1 4课题研究意义及主要工作 目前生产出的l e d 主要应用在屏幕显示及照明光源中，而这两方面都对l e d 光电参数的一致性要求甚高。但是，在现有的半导体技术制造条件下，通过在制 造过程中改进工艺来提高l e d 产品光电参数的一致性会导致l e d 的成本大大升 高。因此，在实际生产中为了提高l e d 的质量和档次，通常根据l e d 的光电参 数进行严格的筛选分类，从而提高l e d 的光电参数的一致性。 目前，在国内市场上，经过筛选后的l e d 每颗利润可提高2 3 分钱，对于 每月生产几十k k 颗l e d 的大中型l e d 企业来说，如果每只l e d 都经过筛选 分类，每年可增加利润多达几百力元。由于我国的l e d 当前正在飞速发展中， l e d 的投产规模不断的扩大，对快速l e d 分选设备的需求在急剧的增长中，而 在快速l e d 分选设备中，高精度快速的l e d 光电参数测量系统是其最核心部件。 2 0 0 7 年0 5 月中国科学技术犬学硕i 学位论文 但是，在我国这类机器主要依赖于从国外或是台湾进口，成本很高，不利于我国 l e d 的行业发展。 因此，为了满足l e d 生产的实际需求，促进我国l e d 产业的发展，本文的 研究目的是设计一套可用于l e d 快速自动分类的l e d 光电参数测量系统。为了 实现该系统，本文主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 研究l e d 主要光电参数( 包括正向电压、反向漏电流等电性参数，光谱 功率分布、主波长及色品坐标等光色参数) 的测量方法，并给出具体的设 计方案。 ( 2 ) 以工控主机、微型光纤光谱仪u s b 2 0 0 0 及s o c 单片机a duc 8 4 1 为主 要核心器件，并根据相应的光电参数测量方法设计并实现了包括测控模 块、电性参数测量模块、光电测量模块及光谱参数测量模块的硬件系统。 ( 3 ) 在单片机中采用c 语言编写了相关的测控程序；设计了主机与单片机的 串口通信执议；在工控主机中采用v i s u a l b a s i c 语言编写了操作简单明了 的测量软件系统。该软件系统主要包括人机界面模块、数据处理模块、 光色参数计算模块和串口通信模块四部分。 2 0 0 7 年0 5 ，丁中国科学技术大学颇 学位论立 第二章l e d 参数测量方法研究 2 1l e d 发光原理 发光二极管( l e d ) 的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的p - n 结。 l e d 发光原理如图2 1 所示。当l e d 处于正向偏置时，p - n 结势垒降低，载流子 扩散运动加强。由于电子的迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子有n 区扩 散到p 区是载流子扩散的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价 带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子 的形式释放出来，产生电致发光现象【1 1 。 图2 一ll e d 发光原理 电子与空穴复合时，释放出的光子能量取决与半导体材料的禁带宽度乓，其 关系由式( 2 1 ) 决定。禁带宽度越大，发出的光波波长就越小。 a ：竽( 2 一1 ) e g 式中h 为普朗克常数，c 为光速。由于光的颜色由其波长决定，由式( 2 一1 ) 可看出， 选择不同禁带宽度的半导体材料即可得到不同颜色的可见光。 2 2电性参数测量方法 电性参数是l e d 的基本参数，它们决定了l e d 芯片的性能以及能否j 下常工 作。l e d 的电性参数通常包括e 向电压( f o r w a r d v o l t a g e ，v f ) 、反向电压( r e v e r s e v o l t a g e ，v r ) 、j 下向电流( f o r w a r dc u r r e n t ，i f ) 、反向电流( r e v e r s ec u r r e n t ，i r ) 等。在实际应用中，通常需要知道l e d 在其标准工作电流2 0 m a 下对应的币向 电压，以便证确地设计其驱动电路；测量l e d 的反向电流以判断芯片的反向绝 缘性能。 根据中国光学光电子行业协会光电器件专业分会发布的关丁l e d 的测试方 6 2 0 0 7 年0 5 月 中国科学技术大学硕士学位论文 法i i “，对l e d 电性参数的测量主要包括两大部分：在恒流条件下测量l e d 的电 压参数以及在恒压条件下测量l e d 的电流参数。 l e d 电压参数测量电路如图2 2 所示。g 1 ，a ，v ，d 分别为程控恒流源， 电流表，电压表，被测发光二极管。由于不同客户要求的测试条件不同或不同种 类的l e d 需要不同的测量条件，因此恒流源必须是可程控的( 恒压源也是如此1 。 测量步骤如下：先调节恒流源输出为设定值，延时待参数稳定时通过电压表测量 即可碍到l e d 的电压参数。由于恒流源是可程控的，所以通过改变恒流源的电 流输出极性即可测量f 向或反向电压参数。 l e d 电压参数测量电路如图2 。3 所示。g 2 ，a ，v ，d 分别为程控恒压源， 电流表，电压表，被测发光二极管。测量步骤如下：先调节恒压源输出为设定值， 延时待参数稳定时通过电流表测量即可得到l e d 的电流参数。由于恒压源是可 程控的，所以通过改变恒压源的输出极性即可测量正向或反向电流参数。 g 1 哆 p g z 图2 - 2l e d 电压参数测量电路图2 3l e d 电流参数测量电路 2 3 光学参数测量方法 l e d 的光学参数主要包括相对光谱功率分布( r e l a t i v es p e c t r a lp o w e r d i s t r i b u t i o n ，尸) 、峰值发射波长( p e a k e m i s s i o nw a v e l e n g t h ，k ) 、峰值波长半 波宽( f u l lw i d t hh a l fm a x ， ) 、发光强度( l u m i n o u si n t e n s i t y ，i v ) 以及光通量 ( l u m i n o u sf l u x ，m ，) 等。这些光学参数决定了l e d 作为一个光源的发光特性。 2 3 1 相对光谱功率分布 l e d 的相对光谱功率分布是在其光辐射波长范围内，各个波长的辐射功率分 布情况。常见的l e d 相对光谱功率分布如图2 - 4 所示。从图中可以看出，对于单 色光l e d ，其相对光谱功率分布很窄，能量主要集中在某波长附近，使得l e d 发出的光具有很好的单色性；对于白光l e d ，由于是在蓝色l e d 芯片基础上涂 了一层可被蓝光有效激发的发黄光的y a g 荧光粉，当l e d 点亮时，一部分蓝光 被荧光粉吸收，激发荧光粉发射黄光，发射的黄光和剩余的蓝光混合，从而发出 白光。从图2 4 中可以看出，相对光谱能量峰值对应的正是是蓝光波段，而次峰 7 多 d 2 0 0 7 年0 5 月 中国科学技术大学硕七学位论文 值则对应的是黄光波段，与实际相吻合。l e d 的相对光谱功率分布参数是其光 色参数中最重要的。如果测量出相对光谱功率分布参数，则可计算出其他的光色 参数，如峰值发射波长、峰值波长半波宽及色品坐标x 、y 等。 薤t a x i 一 卿o 红光l e d f 1 船啦6 fii 蚕 l * a 2 f i 。 _ 、j 喇o 糨n 萎。 一0 o 4 0 05 0 06 0 07 0 0 坡长f n m 彼长r a n 喇 箍 牧 莱 靛 - w - 图2 - 4 常见l e d 相对光谱功率分布图 l e d 的相对光谱功率分布的测量方法如图2 。5 所示。首先通过程控源输出正 向恒定电流( 通常为2 0 m a 标准工作电流) ，l e d 发出的光束经过聚焦透镜聚焦后， 通过光纤将光束传输到光谱仪中，在光谱仪中按固定波长间隔扫描可见光波段的 光谱功率( 不同的光谱仪的分辨率不同，扫描的问隔也不同，从而使得测量精度 也不同) ，即可得到l e d 的相对光谱功率分布p ( 九) ( 具体参见本文第三章第五节” 光谱参数测量模块设计) 。 i f 恒流源 多n 一一i 7 一一 聚焦透镜 图2 5l e d 相对光谱功率分布测量原理 出图2 - 6 可知，为了得到l e d 的峰值发射波长k 及峰值波长半波宽x ，可 8 2 0 0 7 年0 5 月 中国科学技术大学硕上学位论文 通过扫描相对光谱功率分布尸( 九) ，其中最大值所对应的波长即为峰值波长k ，然 后以峰值波长为中心，分别向两边扫描，找出辐射功率为峰值波长辐射功率的一 半时所对应的波长x l 和x2 ，则峰值波长半波宽x 为 = l 一如i ( 2 2 ) 在本文设计的系统中，通过光谱仪测量得到的相对光谱功率分布p 仉) 存储在计算 机的一维数组中。数组的数据表示相对功率的大小，下标系数与波长一一对应。 因此，通过遍历该数组找出最大值对应的下标即可计算出峰值波长k ，然后以该 下标为中心，向数组两边查找与最大值的一半相差最小的值所对应的下标n l 和 n 2 ，即可计算出xl 和x 2 ，从而得到峰值波长半波宽x 。 1 0 0 筹 基 芸 姊 5 0 * 图2 - 6 l e d 光谱示意图 2 3 2 光通量及辐射通量 l e d 的辐射通量是指在单位时间内发出的光的总能量，单位为w 。l e d 在 波长 发射的辐射通量称为单色辐射通量毋。( 入) ，总的辐射通量为所有单色辐 射通量综合，即 庐。= l 咖? ( 丑) d 五 ( 2 3 ) 辐射通量中引超人眼视觉的那部分能量称作为光通量妒，单位为流明( 1 m ) 。计算 公式如下 7 8 1 办= 6 8 0l 尼( 五) y ( 咒) d 丑 ( 2 4 ) 3 i o 式中蹦九) 为光谱绝对功率分布，坎入) 为光谱光视效率【1 0 1 。 为了准确地测量l e d 的光通量，需把它发出的光全部收集起来，然后j 。能 进行测量。在实际应用中采用积分球收集l e d 发出的光能量，然后通过探测器 进行测量。测量方法如图2 7 所示。由于积分球内壁涂有均匀的白色b a s o 。漫反 射层，将待测l e d 置于球内，其发出的光经过积分球壁多次漫发射后，球壁内 的光照度形成均匀分布，通过光纤将光信号引入光谱仪中进行测量即可得到与该 9 2 0 0 7 年0 5 月中国科学技术大学硕十学位论文 光照度成比例的光通量。本文采用相对法进行测量1 1 3 l ，先将光通量庐。己知的参 考l e d 置于积分球内，通过光谱仪测出其相对光谱功率分布p o ( k ) ，再用待测 l e d 替代参考的l e d ，测出待测l e d 相对光谱功率分布p _ ( ”，通过下式即可 算出待测l e d 的光通量，* 1 8 1，7 鲤 唬捌= 旃，。i 岛( 五) y ( a ) a a j 晶( ) 矿( a ) a a ( 2 5 ) 3 画0，3 面 式中坎x ) 为光谱光视效率。 积分球 l e d 图2 ，7 光通量测量原理 测出l e d 的光通量后，还可计算出其发光效率 ， 打= 鱼： 。y f 4 i t ? 式中扛为l e d 的j 下向电流，吩为相应的正向电压。 2 3 3 发光强度 ( 2 6 ) 光源在单位立体角内发射的光通量，表示为i v = d 谚d o ，定义为光源的发光 强度，单位为坎德拉( c d ) 。发光强度的概念要求假定辐射源是一个点辐射源，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， 光探测器表面的光( 或辐射) 照度遵循距离平方反比定理，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，光源的相对尺寸太 大，或者与探测器表面构成的角度太大，这就是所谓的近场条件。为了使在近场 条件下测量的l e d 光强测量具有可比性，c i e 推荐使用平均l e d 发光强度概念， 即照射在离l e d 一定距离处的光探测器上的通量西，与由探测器构成的立体角q 的比值，其中立体角q 等于探测器的面积s 除以测量距离d 的平方。 扣告= 华 ( 2 - 7 ) l e d 光强测量方法如图2 - 8 所示。距离d 应按照c t e 推荐的l e d 光强测量条件 a 或b 进行设置【l “，同时要调整被测l e d 器件使它的机械轴通过探测器孔径的 中心。在l e d 实际测量中，通常先通过探测器测量一个光强锄已知的参考l e d l o 2 0 0 7 年0 5 仃中国科学技术大学顼十学位论文 对应的输出电流o ，然后再由探测器测量出待测l e d 的光强i 斜应的输出电流 ，通过下式即可计算出i ， 矗舞= 等 ( 2 - 8 ) 恒流源 图2 - 8 光强测量原理 2 4颜色参数计算方法 为了满足色度测量的需要，国际照明委员会( c i e ) 于制定了一套颜色测量原 理、数据和计算方法，称为c i e 标准色度学系统。该色度学系统以两组基本视觉 实验数据为基础，一是适用i - 4 0 视场的c i e l 9 3 1 标准色度学系统，另一是适用大 于4 0 的c t e l 9 6 4 补充色度学系统。在l e d 的实际应用中，最常用的是c i e l 9 3 1 标准色度学系统，其主要的颜色参数包括色品坐标x 、y ，主波长埘，色纯度p e ， 以及作为照明光源的白光l e d 的相关色温c c t 及显色指数r a 。 2 4 1c i e l 9 3 l 色品坐标 1 9 3 lc i e x y z 系统是在c l e 。r g b 改进而来的。在1 9 3 lc i e x y z 系统中， 匹配等能光谱刺激的( x ) ，( ，( z ) - - 原色数量叫做”c i e1 9 3 1 标准色度观察者光 光谱三刺激值”，简称”c i e1 9 3 1 标准观察者”。由于在c i e1 9 3 1 标准观察者光谱 三刺激值上，y ，z 中，j ，以) 与明视觉光谱光效率函数y ( 五) 一致。因此，用己 知的c i e1 9 3 1 色度图的光谱轨迹色度坐标x ( ) ，y ( 凡) ，z ( ) 和光谱光效率函数 v ( ) ，就可求得光谱三刺激值x ( a ) ，j ，( 旯) ，z ( a ) 为 ；( 五) = 三祟矿( 五) ，灭兄) = y ( 五) ，j ( 五) ：兰祟矿( z ) ( 2 9 ) y t 以jy l l ， c i e1 9 3 1 标准色度观察者光光谱三刺激值工，) ，2 曲线( 图2 9 ) 分别代表匹配个 波长等能光谱刺激所需的红、绿、蓝三原色的量。 知道了c i e1 9 3 l 标准色度观察者光谱三刺激值，再加上通过光谱仪测量得到 的相对光谱功率分布j p ( 九) ，就可以计算出l e d 的色品坐标x 、y 、z 。 2 0 0 7 年月 中囿科学技术大学硕 学位论立 x = 七p ( 五) ；( 兄) d y = k 尸( 五) 歹( ) d 五，z = kf p ( a ) z ( 2 ) d t ( 2 - l o ) 3 8 03 8 0 3 8 0 在实际计算中，使用求和近似积分 7 8 0 7 8 0 7 8 0 x = 七p ( 丑) ；( 五) 丑y = t p ( 五) _ ( 五) 五z = 女j p ( 五) 三( _ ) 五( 2 1 1 ) 始d 3 8 03 8 0 式中y 对于光源来说，它是光源的亮度。而对于物体颜色，k 为调整因数，它是 将照明体y 的值调整为1 0 0 得出的，即 k ：面生一 ( 2 - 1 2 ) j p ( 旯) 歹( a ) 五 o 1 6 ； 粤1 ： 毯 疆 n s 0 4 o o 3 5 0 柏，4 5 0 ，j 伽帖o7 0 0 披长，m 图2 - 9c i e1 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值 由式( 2 1 1 ) 计算出物体的三刺激值后，就可算出其色品坐标x 、y 、z x x 斗y + z l ， 。 x+y+z(213) z x + y + z 石+ y + z = 1 由3 - z = 1 - ( x + y ) ，所以在实际席用中通常只需计算出x 、y 即可。 2 ，4 ，2 主波长及色纯度 用某一光谱颜色按一定比例与一个确定的参照光源相混合而匹配出样品颜 色，该光谱色的波长就是样品的主波长。在l e d 应用中，采用等能白光e 光源f 一 个等能光谱的白光是由相同数量的x ，y ，z 组成，其色品坐标为) c 0 = o 3 3 3 3 ， 2 0 0 7 年0 5 月中国科学技术人学硕：卜学位论文 yo = 0 ，3 3 3 3 ) 作为参照光源来计算确定颜色的主波长。 计算样品主波长是根据色度图上连接参照光源点与直线的斜率，查表【5 】读出 直线与光谱轨迹的交点，定出主波长，如图2 1 0 所示。图2 1 0 中，w e 为等 能白光色品坐标，m ( x 1 ，y 1 ) 为被测l e d 的色品坐标，连接w em 并延长至马蹄 形光谱轨迹线上，交点l 处即为被测l e d 的主波长，它反映了人眼观察l e d 显示的目视感觉。连接等能自光点w e ( x o ，y o ) 与被测点m ( x l ，y o 的斜率七可用 下式计算 岛：兰丛或也：丝边( 2 1 4 ) y i y oy t x o 在k ，b 中选取绝对值最小的进彳亍查表，即可得到主波长。如果表中没有相对应 的值，则找出最临近的两点，然后通过线性插值计算出主波长。 图2 1 0 c i e1 9 3 l 色品图 样品的颜色接近同一主波长光谱色的程度表明该样品颜色的纯度。在色品图 中的颜色主波长上，参考光源色品坐标点w e 到样品色品坐标点m 的距离与w e 点到光谱色度点l 的距离比值来表示色纯度。样品的色纯度表示了样品的颜色接 近主波长光谱色的程度，它和人眼观测到的颜色饱和度基本一致。 p ，= 铃= 嚣或= 错= 而y - y o ( 2 - 1 5 ) 2 4 3 相关色温 光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体 的温度为光源的色温( c o l o rt e m p e r a t u r e ，t c ) 。色温代表着光源的颜色特性和光 2 0 0 7 年0 5 月 中国科学技术大学硕十一学位论文 谱特性，与光源的内在特性有着密切的关系。如果两种光源的光谱功率分布相同， 其色温必然是相同的。但两种光源的色温相同，其光谱功率不一定相同。色温作 为描述光源或发光体特性的一个基本参数，在照明应用具有很重要的意义。 a r r o b e r t s o n i b l 在1 9 6 8 年给出了在计算机上计算光源色温的方法。首先 通过光谱仪测量得到其光谱功率分布，然后根据式( 2 1 1 ) ，( 2 一1 2 ) ，( 2 。1 3 ) 计算出 相应的色品坐标x 、y 。由于在c i e1 9 3 1 色度图上，黑体轨迹上各温度点不是按 等距分布的，同时c i e1 9 3 1 色度空间是不均匀的，因此将c i e1 9 3 l 色度空i 训坐 标x 、y 转换为c i e1 9 6 0 均匀色度空间的坐标u 、v ，转换公式如下 “= j i 4 医x 石，v = j 再6 丽y ( 2 - 1 6 )一2 工+ 1 2 y + 32 x + 1 2 y + 3 如果色品坐标在图2 1 0 的等温线上，则可直接得到光源的相关色温。如不在， 根据被测光源的色品坐标“，v 查色温表【5 】得到离此光源坐标最近的两条等温线 l 和t 川，然后计算出被测测光源的色品坐标点a 到t ，和t f + ，的最短距离d ，和 d 川，如图2 一l l 所示。然后有下式可计算出光源的相关色温