（仪器科学与技术专业论文）led测试系统方案设计及信号采集.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 i 摘要 由于 led 广阔的应用前景， 对 led 的质量和要求也不断的提高， 所以对 led 光、电、色参数的检测也提出了更高的要求。过去人们单凭眼睛来判断 led 的质 量好坏和颜色区分已经不能满足市场的需求。国内外不少研究机构和企业都研制 出了不少具有较高水平的检测设备和仪器。目前国内在 led 参数测试方面已经取 得了一定的成果，产品的种类比较多，覆盖了光、电、色等参数。不但有单一参 数测试系统，也有综合测试系统；有高速测试系统，也有自动测试系统，还有功 能比较齐全的光、电、色高速自动测试分选系统。本课题在分析已有的测试方法 和方案的基础上，提出了一套测试方案。该方案在提高仪器的测试精度、重复性、 可靠性和测试效率的基础上，能有效的降低成本，满足不同用户和应用的需求。 论文首先系统的分析了 led 的发展状况、应用领域及其检测设备仪器的发展 状况，在分析总结的基础上提出优化设计方案。 接着论述了 led 参数测试原理及测试方案的论证。特别详细的论述了有关 led 光谱参数测试的原理，提高测试精度的方法和改进途径；光通量的测试原理， 发散角的测试方法；发光强度测试的原理、注意事项和提高测试准确度的方法。 制作了发散角测试光路，光强测试的光路和信号处理电路；分析光栅、ccd 探测器、光电二极管探测器等关键元件的选取、参数计算方法；分析了光路设计 中对测试精度和稳定性影响的因素，并提出相应的改进措施。 实现了信号采集、数据处理及软件编程。完成了对数据采集卡的驱动、ccd 信号的采集及采集结果的初步处理；使用 labview 语言实现了数字滤波、光谱波 长、半波宽度、光强、光通量、电参数计算；实现了分选信号给出功能。 最后对系统进行定标处理，论述了定标的原理，提出了系统定标的方法。并 对已知参数的 led 进行测试，分析误差产生的原因，并通过软件处理来修正测试 误差。通过多次实验，结果表明本测试系统能够完成 led 基本参数测试，实现了 预定的测试目标。 关键词：led，线阵ccd，光电二极管，labview，数据采集 重庆大学硕士学位论文英文摘要 ii abstract as a result of led s wide and bright application prospect, the requirement to led s quality is higher and higher, so testing of led s optical, electrical and color parameters is strict. in the past, the method distinguishing led s quality and grading by naked eyes can t be satisfied with market requirement any more. in our home, many enterprises and institutes have developed all kinds of high level testing devices and instruments which cover led s optical, electrical and color parameters testing. these products not only cover single parameter testing, but also cover multi- parameters testing; not only high speed and automation test, but multifunction with automation and high speed test and grad system. this paper brings forward a new test scheme based on the analyses of existing testing method and scheme. the new scheme can satisfy with different users and application s requirement, and the same time which can improve the test precise, repeatable, reliability and efficiency. firstly, the paper analyzes led s development condition, application field and test instrument s development status, and brings forward an optimized design scheme based on the sum- up and analyses. secondly, it discusses that led s parameters test principium and scheme demonstration, especially tells the spectral parameter testing principium and method of improving precise; the test principium of luminous flux and test method of stretch angle; test principium, matters and test method concerned improving precise of intensity. thirdly, based on the demonstration and analyses, we finished optical road for the spectrum test; luminous flux test optical road, stretch angle test optical road, intensity test optical road and signal process electro- circuit. how to choose the key components, such as grating, ccd and photoelectric diode and how to calculate its parameters. the factors affect the test precise, stability and raise the mend method. fourthly, the paper finished data acquisition, data process and software program based on the design and manufacture of optical road and electrical circuit. it realized the driver of acquisition card usb2004, ccd signal acquisition and data process. use the software labview to realize the digital filter and the calculation of peak wavelength, intensity, luminous flux and electrical parameters; send out the signal of grading. lastly, tells the calibration principium and the method of calibration. in order to 重庆大学硕士学位论文英文摘要 iii check the test system works well or not, we have a test to the known led and analyses the reasons of errorless; at last give it a revisory value by software. by many experiments, it shows that the testing system can realize led s all kinds of parameters test and get the due result. keyword：led, linear array ccd, photoelectric diode, labview, data acquisition 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 绪论 1.1 led 的广阔应用前景 在爱迪生 1879 年发明碳丝白炽灯之后，照明技术便进入一个崭新的时代。回 顾 20 世纪的照明史，荧光灯、汞灯、高低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、 高频无极荧光灯、微波硫灯等新光源层出不穷，然而，真正引发照明技术发生质 变的，还是 led1。与传统照明技术相比，led 的最大区别是结构和材料的不同， 它是一种能够将电能转化为可见光的半导体，上下两层装有电极、中间有导电材 料，光的颜色根据材料性质的不同而有所变化。led 属于全固体冷光源，更小、 更轻、更坚固，工作电压仅有两伏特，使用寿命长达十多年。按照通常的光效定 义，led 的发光效率并不高，但由于 led 的光谱几乎全部集中于可见光频段，效 率可达 80- 90%，同等光效的白炽灯可见光效率仅为 10- 20%；单体 led 的功率一 般在 0.05- 1w，通过集群方式可以满足不同需要。 高亮度 led 的出现具有划时代意义，它将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后 最伟大的发明之一2。最早研制的 led 只能发出红色的光，用作电子设备中的指 示灯。如今，led 已能发出红色、黄色、蓝色、绿色、橙色、琥珀色、蓝绿双色、 红绿双色、黄绿色、纯绿色、翠绿色、白色各种光束。在我国各大城市，已经到 处可见 led 的眩目光彩，led 正在改变我们的生活和工作环境。 除了寿命长、耗能低之外，led 更大的长处有三点：一是应用非常灵活，可 以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品；二是环保效益更佳，由于光谱中没 有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，属于典型的绿色照明光源，而且 废弃物可回收，没有污染；三是控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光， 不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效 果3。 led 不仅可用于大型广告显示屏，还可以用于建筑和交通照明4。led 作为 城市重点建筑的夜景照明，在勾勒轮廓上可以大显身手，能够模拟任何色彩，光 通量的损耗和维护费用也大大降低。 由于体积小， led 适合制作成线条灯具， led 做成地灯，指示方向、步道和车道，安全可靠，经久耐用。最初，led 只是作为 微型指示灯，在计算机、音响和录像机等高档设备中应用，随着大规模集成电路 和计算机技术的不断进步， led 显示屏正在迅速崛起， 作为新一代显示媒体， led 已成为现代城市一道靓丽的风景线，广泛应用于各种公共场合。近年来，led 逐 渐扩展到通用照明领域， 从证券行情到股票机， 从笔记本电脑到数码相机， 从 pda 到手机，从室内照明到汽车车灯，led 无处不在5- 6。有机 led 显示屏的单个元素 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 反应速度是 lcd 液晶屏的 1000 倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下 40 度的低温。在现代都市中，大功率气体放电灯、泛光照明、霓虹灯、灯箱广告等 光源所产生的光污染，已经对人类、自然环境以及天文观察造成严重危害。21 世 纪，解决光污染，是照明技术急待突破的课题，led 应运而生，前途无量7- 9。 白光 led 的出现，是 led 从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光 led 最接近日光，更能较好反映照射物体的真实颜色，所以，从技术角度看，白 光 led 无疑是 led 最尖端的技术。白光 led 的应用市场将非常广泛，也是取代 白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。目前，白色 led 已开始进入一些应用领域， 应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。据美国能源部预测，2010 年前后，美 国将有 55%的白炽灯和荧光灯被 led 替代，每年节电价值可达 350 亿美元，可能 形成一个 500 亿美元的大产业。日本提出，led 将在 2006 年大规模替代传统白炽 灯。为了抢占未来市场的制高点，通用电气、飞利浦、奥斯拉姆等世界三大照明 工业巨头纷纷行动，与半导体公司合作成立 led 照明企业，目标是在 2010 年前 把 led 发光效率再提高 8 倍，价格降低 99%。 由于 led 广阔的应用前景，对 led 的质量和要求也不断的提高，所以对 led 光电色参数的检测也提出了更高的要求。过去人们单凭眼睛来判断 led 的质量好 坏和颜色区分已经不能满足市场的需求，国内外不少研究所和企业都研制了不少 具有较高水平的检测设备和仪器。 1.2 led 检测技术的发展现状10- 14 去年我国启动了半导体照明工程之后，掀起了 led 产业的投资热潮，产业链 各个环节的自主创新速度大大提高，而相关标准工作也在进行之中。但有关专家 表示，与国外技术研发、产业化及标准制定速度相比，我国 led 产业的发展还要 快马加鞭。上下游自有技术同获突破，创新和产业化仍需提速。 中国光学光电子行业协会光电器件分会已经制定了半导体发光二极管测试 方法 ，现在正在全行业推广试行，取得了很好的效果。而该标准的创新之一就是 制定了 led 结温和热阻测试的标准方法。 “考虑到 led 迅速运用到照明领域， 使 得 led 芯片向大功率方向发展，因此，led 的热学参数将对 led 的功率、发光 效率、寿命等产生巨大影响。参考国内外类似器件的测试方法，并在实际的研究 工作中证明可行的基础上，我们制定了 led 结温和热阻测试的标准方法。”浙江 大学鲍超教授介绍说：目前，按照这个方法，一些单位进行了热阻测试设备的初 步开发，测量了研制的功率 led 器件，取得了良好效果。有业内专家表示，目前 国际照明委员会等组织早就都出台了一系列相关标准，因此我国 led 业相关标准 的制定工作还要加快，这样，才能更好地适应 led 业的快速发展。下面是国内比 重庆大学硕士学位论文1 绪论 3 较有代表性的几个产品： 杭州远方集团公司研制的 led 芯片光电色综合测试系统 led 自动测试系统pxi 高速 led 测试系统 深圳大赢数控设备 致茂电子与 pxit 公司合作开发 pxi 高速 led 测试系统， 完整的测试时间约 80 ms，本系统可提高目前业界测试系统两倍以上的速度。杭州远方集团公司研制的 led 芯片测试系统可以对芯片进行精确的测试，测试精度可达到 0.1 纳米，重复 性可达 0.2 纳米。通过分析我们可以知道，目前国内在 led 参数测试方面已经取 得了一定的效果，产品的种类比较多，覆盖所有的光电色参数测试。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 4 1.3 比较分析 led 照明器具是高技术、高附加值产品，我国以往对 led 照明的研究还很薄 弱，与国外水平相差很大，特别是在应用基础方面的研究还不能满足我国产业发 展的需求。 在 led 照明产品检测技术和产品标准方面远远不能适应我国 led 照明 工业发展的要求。 我国 led 照明的发展， 首先应当建立和健全我国 led 照明器具 的技术标准和测试方法评价体系，规范现有的检测系统，使不同企业的产品依据 统一的测试方法检测，只有这样才能真正了解我国 led 照明产品的技术水平，进 而推动我国 led 照明工业的技术进步，促进行业发展。 1.4 研究 led 测试的意义和虚拟仪器的特点 1.4.1 研究 led 测试的意义 随着 led 应用范围的扩大，用户对 led 产品质量有了更高的要求，尤其是 led 发光亮度和波长一致性。因 led 亮度和波长一致性差，如果做成大屏幕 led 彩色显示屏，会使观众产生斑点或刺眼的感觉，严重影响 led 显示屏的质量，因 此必须按 led 的发光亮度和波长进行分选。 再者， 目前国外经过分选的 led 每只 利润增加 1 分人民币， 国内年生产 led 管 280 亿只， 如果有一半的 led 经过分选， 增加利润近一亿多元。由于 led 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 wto，我国 led 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，led 分谱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 led 质量，其市场前景可观，可极大地提高我 国 led 质量。因此研究精确测试 led 光电参数仪器，实现 led 的高速、高效分 选，对提高 led 的质量和档次具有重要的意义。 1.4.2 虚拟仪器的特点15- 17 虚拟仪器(virtual instrument，简称 vi)是基于计算机系统的数字化测量测试仪 器，它充分利用现有计算机资源，并配以独特设计的仪器硬件和专用软件，能实 现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的特殊功能，常被称作软 件仪器。它利用数据采集模块完成一般测量测试仪器的数据采集功能，利用计算 机系统完成一般测量测试仪器的数据分析和输出显示等功能。虚拟仪器是计算机 技术与现代测量技术共同发展的结晶， 代表着当今仪器发展的最新趋势。 labview 是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台，是目前国际上首推并应 用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据 分析、数据显示等领域，并适用于多种不同的操作系统平台，与传统程序语言不 同，labview 采用强大的图形化语言(g 语言)编程，面向测试工程师而非专业程 序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪 重庆大学硕士学位论文1 绪论 5 器控制能力等特点。使用 lab view 开发环境，用户可以创建 32 位的编译程序， 从而为常规的数据采集、测试、测量等任务提供了更快的运行速度。 “labview” 是真正的编译器，用户可以创建独立的可执行文件，能够脱离开发环境而单独运 行。 1.5 课题研究的内容 本课题主要研究任务有： 1在查阅大量的资料和分析国内外现有各种 led 测试仪器和方案的基础上，总 结他们的优缺点，从而提出更接近实际可行的测试分选方案； 2从理论上研究分析影响测试精度和效率的因素，并提出解决的方法；设计了 测试光路和信号调理电路，信号处理程序，提高精度和较高的测试效率； 3编写数据采集卡的驱动程序，实现 ccd 信号采集；对采集的信号进行数值分 析处理，编写数据处理程序； 4研究分选的理论和算法，并通过编程实现分选信号的给出； 5利用所设计的测试系统和分选机构进行了大量的实验，实验数据表明，我们 的设计实验是成功的，取得了预期的效果。 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 6 2 led 的主要参数与测试原理 2.1 引言 led 是利用化合物材料制成 pn 结的光电器件， 它具备 pn 结结型器件的各项 特性18： 1 电学特性：i- v 特性、c- v 特性； 2 光学特性：光谱特性、平均光强、光通量、发散角等； 3 热学特性。 2.2 led 电学特性 led 的 pn 结电特性， 决定了 led 在照明应用中区别于传统光源的电气性能， 即单向非线性导电特性、低电压驱动以及对静电敏感等特点19。目前主要的测量 参数包括正向驱动电流、正向压降、反向漏电流、反向击穿电压。 1 i- v 特性 i- v 特性表征 led 芯片 pn 结制备性能主要参数。led 的 i- v 特性具有非 线性、整流性质。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。如图 2.1 所示： 图 2.1 i- v 特性曲线 fig2.1 i- v characteristic curve (1) 正向死区： （图oa或 oa段）a 点对于 o v 为开启电压，当 a vv ，外加电场尚 克服不了因载流子运动而形成的势垒电场，此时 r 很大；开启电压对于不同 led 其值不同，gaas 为 1v，红色 gaasp 为 1.2v，gap 为 1.8v，gan 为 2.5v。 (2) 正向工作区：电流 if与外加电压呈指数关系 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 7 1e kt qvf sf ii(2.1) s i 为反向饱和电流 v0 时， r vv 的正向工作区 f i随 f v指数上升 kt vf sf eii (2.2) （3）反向死区 ：v0 时 pn 结加反偏压 r v-v 时，反向漏电流 r i（v=-5v）时，gap 为 0v，gan 为 10ua。 （4）反向击穿区 r - vv ， r v称为反向击穿电压， r v电压对应 r i为反向漏电 流。当反向偏压一直增加使 r - vv 时，则出现 r i 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 led 的反向击穿电压 r v也不同。 正向电流和正向 电压值，反向电压和反向电流测量原理如图 2.2、图 2.3 所示： a - 0 vd + g 图 2.2 在额定电流下，两极间产生的电压降 fig2.2 voltage of the two ends of led under rate current 在额定电流下，led 两端的电压值就是电压降。 0 v d + g - a 图 2.3 反向电压和反向电流的测量 fig2.3 testing of led countercurrent and counter voltage 通过测量通过 led 器件的反向电流为额定值时， 在两极之间产生的反向电压， 调节稳压电源，使电流表的读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测 器件的反向电压。在这里我们知道一般的发光二极管的导通电流为 20 毫安，正向 电压降为 1- 3 伏特，而电流的测量一般转换为电压的测量。我们使用的 a/d 板卡 的电压转化范围为 0- 10 伏特，故我们选用 150 欧姆的电阻，是该电阻上的电压降 为大约 3 伏特。当电压通过 a/d 板的转化之后，就可以通过公式计算出电流植的 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 8 大小。而发光二极管上的电压降则可以直接测量出来。由于整个测量过程是自动 进行的，没有人为的因素在其中，故测试的精度比较高，速度较快。 2 c- v 特性 鉴 于led 的 芯 片 有 99mil(250250um) ， 1010mil ， 1111mil (280280um)，1212mil (300300um)四种类型，故 pn 结面积大小不一，使其 结电容（零偏压）pfnc左右。 3 最大允许功耗 pf m 当流过 led 的电流为 f i、管压降为 f u则功率消耗为 ff iup；led 工作 时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升 高。若结温为 j t、外部环境温度为ta，则当 aj tt 时，内部热量借助管座向外传 热，散逸热量（功率） ，可表示为 aj tt t kp (2.3) 4 响应时间 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示 lcd（液 晶显示）约 s1010 - 5- 3 ，crt、pdp、led 都达到 s1010 - 7- 6 （us 级） 。 led 的点亮时间上升时间 r t 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开 始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。led 熄灭时间下降时 间 r t 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。不同材料制得的 led 响应时 间各不相同；如 gaas、gaasp、gaalas 其响应时间s10- 9，gape 为s10- 7。因此 它们可用在 10100mhz高频系统。 2.3 led 光学特性 led 的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定 的行业标准半导体发光二极管测试方法 ，主要有发光峰值波长、光谱辐射带宽、 轴向发光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关 色温、 色纯度和主波长、 显色指数等参数。 显示用的 led， 主要是视觉的直观效果， 因此对相关色温和显色指数不作要求，而照明用的白光 led，上述两个参数就尤为 重要，它是照明气氛和效果的重要指标，而色纯度和主波长一般没有要求。发光 二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学 来量度其光学特性。 2.3.1 法向光强及其角分布 i 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。led 大量应 用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性。位于法向 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 9 方向光强最大，其与水平面交角为 90。当偏离正法向不同 角度，光强也随之 变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度定义为光源在指 定方向上很小的立体角元d内所包含的光通量 v d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。表达式为: d v d v i(2.4) 单位是坎德拉（candela） ，符号为 cd。发光强度的概念要求光源是一个点光源，或 者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小（这种要求被 称为远场条件） ，辐射强度的定义和要求与发光强度类似。但是在 led 测量的许多 实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大或者是 led 与探 测器表面构成的立体角太大，在这种近场条件下，并不能很好地保证发光强度的 角分布 i是描述 led 发光在空间各个方向上光强分布。 其测试原理如图 2.4 所示： 图 2.4 cie 平均 led 发光强度测试原理 fig2.4cie average led intensity testing 表 2.1cie led 平均发光强度标准测试条件 table 2.1 cie led average intensity testing conditions cie 推荐 led 顶端到探测 器距离 立体角平面角（全角）应用 标准条件 a3160.001sr2窄视角 led 标准条件 b1000.01sr6.5 一般 led （注：cie 建议，测试时采用 led 的机械中心而非光学中心） 2.3.2 led 的光谱和色度参数 发光二极管的光谱能量(功率)分布 p表示在发光二极管的光辐射波长范围 内，各个波长的辐射功率分布情况。它也确定 led 发光颜色以及光通量。通常在 实际场合中用相对光谱功率分布来表示。 led 的光辐射的谱分布与通常所用的光源 不同，典型的 led 的光输出是一个窄带光谱，其带宽是在 20nm 到 50nm 之间，峰 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 10 值波长位于 uv、可见光、红外区域某处，但它的光辐射既不是纯单色的，也没有 白炽灯那样的宽光谱，图 2.5 示出了一些 led 的光谱分布。 图 2.5 led 光谱分布曲线 fig2.5 led spectral power distribution curve 1 蓝光 ingan/gan2 绿光 gap:n3 红光 gap:zn- o 4 红外 gaas5 si 光敏光电管6 标准钨丝灯 是蓝色 ingan/gan 发光二极管，发光谱峰 = 460465nm； 是绿色 gap:n 的 led，发光谱峰 = 550nm； 是红色 gap:zn- o 的 led，发光谱峰 = 680700nm； 是红外 led 使用 gaas 材料，发光谱峰 = 910nm； 是 si 光电二极管，通常作光电接收用。 由图 2.5 可见，无论什么材料制成的 led，都有一个相对光强度最强处（光输 出最大） ，与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用 表示，只有单色光才 有 波长。 1 相对光谱功率分布(relative spectral power distribution) led 光源的光谱功率分布可用下式求得: s l l y y psp(2.5) 其中 l p和 ps分别是待测 led 和标准光源的光谱功率分布， l y和 s p分别是光辐射探测器对待测 led 和标准光源的响应值， s p是标准值，可 通过查表获得，所以测得标准光源和 led 光源对同一探测器的光辐射响应就能计 算出待测 led 的光谱功率分布，再将各波长的光谱功率除以最大光谱功率就可得 到相对光谱功率分布。由于实际上很难用数学表达式写出来 p，因此常用以求 和来近似积分。这里 y 对于光源来说，它为光源的亮度。对于物体颜色而言，k 为 调整系数，它是照明体或者光源的 y 值调整为 100 而得出的，即 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 11 780 380 100 yp k (2.6) 2 峰值波长(peak wavelength ) 峰值波长在最大光谱能量(功率)处的波长。峰值波长在实际应用中其意义 并不是十分明显，这是因为即使有两个 led 的峰值波长是一样的，但它们在人眼 中引起的色感觉也是可能不同的。 3 最大半波宽度(full width half max) 最大半波宽度是对应最大光谱功率 50%处两个波长之差， 5 . 0 5 . 0 fwhm, 它表示 led 的光谱纯度。如图 2.6 所示 图 2.6 最大半波宽度 fig2.6 full width half max 对峰值波长、半波宽度、光功率谱分布的测试，主要应用图 2.7 进行测试。 图 2.7 光谱测试原理图 fig2.7 principium of spectrum testing led 出来的光经过透镜聚焦后进入单色仪， 经单色仪出来的单色光有透镜成像 在 ccd 探测器上。由于不同波长的光成像后在 ccd 上的位置不同，故可以通过 ccd 上像元的位置来判定波长的大小，同时可以测定半波宽度，及光功率分布曲线图。 系统的分辨率不仅和光栅有关，而且和我们选用的透镜及 ccd 的像元的大小有关 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 12 系，这些因素直接决定着系统的精度和分辨率。 4 色品坐标(chromaticity coordinate) led 属于一种半导体光源， 颜色作为光源相对光谱功率分布作用于人眼所产生 的生理和心理反应，是衡量光源的一项重要指标。在获得了光源的相对光谱主波 长(dominant wavelength)后，就可以计算 led 器件的色坐标及其它参数。如果已 经知道器件的光谱功率，则可以按以下式子计算： xpkdxpkx 780 380 780 380 (2.7) ypkdypky 780 380 780 380 (2.8) zpkdzpkz 780 380 780 380 (2.9) 2.3.3 光通量 光通量 f 是表征 led 总光输出的辐射能量， 它标志器件的性能优劣。 f 为 led 向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，led 光通 量随之增大。可见光 led 的光通量单位为流明（lm） 。led 向外辐射的功率光通 图 2.8 光通量测试原理图 fig2.13 luminous flux testing principium drawing 量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色 led 的光通量最 大约 1 lm，白光 led 的 f1.51.8 lm（小芯片） ，对于 1mm1mm 的功率级芯片 制成白光 led，其 f=18lm。 光通量的测量一般有如下两种方法：一是在积分球内用已知的光通量的标准 灯与被测量比较，从而定出被测灯的光通量；另一种方法是分布光度计测定光源 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 13 在某个方向上的发光强度，计算后得到光通量，前一种方法比较简单，但后者精 度较高，对任何一种光源都适应。其测试原理如图 2.8 所示。 2.3.4 发散角 led 的发散角对其性能的影响很大，如何准确的测量发散角是一个比较重要 的问题，对提高发光二极管的性能具有重要的意义。其测试原理如图 2.9： ccd d + - g i 0 f 图 2.9 发散角测试图 fig2.9 stretch angel test drawing 因为 led 的发散角可以通过测试其在 ccd 的距离来求得， 如果其在 ccd 上 投影距离为 h，那么我们就可以通过如下公式求得发散角度 d h tg 2/ (2.10) 所以 d h arctg 2/ (2.11) 2.3.5 发光效率 1 led 效率有内部效率（pn 结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射 到外部的效率） 。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。led 光电最重要的特 性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。 2 发光效率量子效率发射的光子数/pn 结载流子数= d pi h e c 若输入能量为uiw ，则发光能量效率 w p f 若光子能量evhc ,则 p ，则总光通量 wkp p f f p (2.12) 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 14 式中 p f k。 3 流明效率led 的光通量 f/外加耗电功率 p kw，它是评价具有外封装 led 特性，led 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见 光发光效率。 表 2.2以下列出几种常见 led 流明效率（可见光发光效率） table 2.2 lumen efficiency of led (visible efficiency) 外量子效率 led 发光颜色 p （nm）材料可见光发光效率 lm/w） 最高值平均值 红光 700 660 650 gap:zn- o gaalas gaasp 2.4 0.27 0.38 12 0.5 0.5 13 0.3 0.2 黄光590gap:n- n0.450.1 绿光555gap:n4.20.70.0150.15 蓝光465gan10 白光谱带gan+yag小芯片 1.6，大芯片 18 品质优良的 led 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部 效率要高。事实上，led 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为 eci ，式中 i 向为 p、n 结区少子注入效率， c 为在势垒区少子与多子复合效 率， e 为外部出光（光取出效率）效率。由于 led 材料折射率很高 i3.6。当 芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射， 反射率为 32. 0 2 1 1 2 1 1 n n 反射出的占 32%,鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出 光效率。 2.3.6 发光亮度 亮度是 led 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度 bo=io/a，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积，在单位 立体角内所辐射的光通量，单位为 cd/m 2 或 nit。 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 15 图 2.10 亮度与电流的关系 fig2.14 relationship of brightness and current led 亮度与外加电流密度有关，一般的 led，jo（电流密度）增加 bo也近似增 大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高， c （复合效率）下降，bo减 小。当环境温度不变，电流增大足以引起 pn 结结温升高，温升后，亮度呈饱和状 态，如图 2.10 所示。 2.3.7 寿命 老化：led 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化 程度与外加恒流源的大小有关，可描述为 t t ebb 0 (2.13) bt为 t 时间后的亮度，bo为初始亮度。通常把亮度降到 bt=1/2bo所经历的时间 t 称为二极管的寿命。测定 t 要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测量方法： 给 led 通以一定恒流源，点燃 54 1010小时后，先后测得 bo，100001000 1 b， 代入式子 2.13，求出；再把 02 1 b t b 代入，可求出寿命 t。长期以来总认为 led 寿命为 6 10小时，这是指单个 led 在 f i=20ma 下。随着功率型 led 开发应用， 国外学者认为以 led 的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如 led 的光衰减为原 来 35%，寿命6000h。 2.4 热学特性 热性能： 照明用 led 发光效率和功率的提高是当前 led 产业发展的关键问题 之一，与此同时，led 的 pn 结温度及壳体散热问题显得尤为重要，一般用热阻、 壳体温度、结温等参数表示。led 的光学参数与 pn 结结温有很大的关系20。一 般工作在小电流 r i10ma，或者 1020 ma 长时间连续点亮 led 温升不明显。若 环境温度较高， led 的主波长或 p 就会向长波长漂移， bo也会下降， 尤其是点阵、 大显示屏的温升对 led 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。led 的 主波长随温度关系可表示为 重庆大学硕士学位论文2 led 的主要参数与测试原理 16 cnm g ttt p /1 . 0 00 (2.14) 由式可知，每当结温升高 10，则波长向长波漂移 1nm，且发光的均匀性、一致 性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上 的光强、 光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、 确保 led 长期工作21。 重庆大学硕士学位论文3 光路与信号调理电路设计 17 3 光路与信号调理电路设计 本课题设计任务： 1、发光效率精度：1% 2、发散角精度：0.5 度 3、峰值波长精度：0.5nm 4、光谱范围：380nm750nm 5、光谱半宽度：0.5nm 6、驱动电流控制精度：10na 7、管压降检测精度：1mv 3.1 引言 本课题着重于研制一种对 led 光电参数进行较为全面的、有较高精度、自动 化程度高的自动测试系统，以满足企业和科研单位对 led 测试的需求。本测试系 统有驱动发光二极管的恒流源、光学分光系统、光电转换探测器、信号调理电路、 a/d 转换、计算机数据处理模块、led 分选模块等组成，从而实现 led 根据不同的 要求实现自动进行分选，达到提高 led 整体质量和企业效益的目的。 led 光电参数测量系统主要包括硬件和软件两部分组成， 其中硬件部分包括光 路设计、信号调理电路；软件部分包括信号 a/d 转换驱动程序、数据处理及算法 实现、分选信号给出、ccd 积分时间和恒流源电流值设定等功能。其原理如图 3.1 所示： led 光学系统 探测器 信号调理 a/d 采集 计算机 图 3.1 系统结构图 fig.3.1 system structure chart 重庆大学硕士学位论文3 光路与信号调理电路设计 18 3.2 光路设计 3.2.1 电参数 led 的电学特征参数主要包括正向电流 f i、正向电压 f v、反向电流 r i和反 向电压 r v，这是衡量一个 led 是否能够正常工作的最基本的判据22。正向电压 是 led 器件在规定的正向电流条件下，两极间所产生的电压降，测量时必须使用 恒流源为 led 器件供电， 并调节其输出电流值到 led 的规定工作电流， 这时把电 压的大小用 a/d 板转换到计算机中（测量时，通过程序给定电流数值的大小） 。由 于采集卡只能采集电压信号，要测试电流信号，我们必须把电流信号转化为电压 信号。故我们在设计的时候要加一个 150 欧姆的电阻，把电流值转换成电压值， 而且其大小要在 0 到 10 伏特之间。由于 led 的额定电流值为 20 毫安，其导通电 压值为 0 到 2.5 伏特，所以选 150 欧姆的电阻是合适的。为了保证 v1 的数值在 a/d 卡的输入量程范围之内，r1 做成可以调电阻，以免超出量程范围。具体测量 电路如图 3.2 所示： 图 3.2 电参数测量 fig3.2 electrical parameters testing v2 的电压值为 led 的管压降，就是在额定电流下的导通电压。电流值为在额定 电压下的电流大小数值，其计算公式为： r v2v1 i (3.1) 式中 v2 可以直接测量获得，v1 为额定电流，r 为电阻，大小为 150 欧姆。 3.2.2 光学参数 本课题要测试 led 光学性能主要包括平均发光强度、发散角、发光效率、 峰值波长、半波宽度等方面的性能。 1 平均发光强度 平均发光强度是表征发光器件发光强弱的重要性能，led 大量应用要求是圆 柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性23。位于法向方向光强 最大，其与水平面交角为 90 。当偏离正法向不同角度，光强也随之变化。光强 的测定要求在电流值恒定情况下， led 发光的光强度值， 而且测试要符合 cie- 1933 重庆大学硕士学位论文3 光路与信号调理电路设计 19 标准24。测试方案如图 3.3 所示，d3、d2、d1 为光阑，选取的光阑 d3 的直径为 11 毫米，保证入射光线满足