（仪器科学与技术专业论文）基于labview的led多参数自动检测技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 由于近几年光电产业的快速发展，使得半导体发光二极管( l e d ) 有了广泛的 应用，对l e d 的质量要求也不断的提高，人们对l e d 光、电、色参数的检测也 提出了更高的要求。单凭工人们的工作经验或简单测量工具来判断l e d 质量的好 坏、区分颜色已经不能满足市场的需求了。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。本课题在分析已有的测试方法的基础上， 提出了一套新的测试方案。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。 本文主要研究基于虚拟仪器的发光二极管l e d ( l i g h te m i t t e dd i o d e ) 关键测试 技术和方法，包括l e d 的电参数、l e d 的光谱参数及光功率的测试原理、方法、 步骤及系统实现，重点介绍系统软件功能的实现。 首先，介绍了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。 在针对l e d 主要的光谱参数和电参数进行理论分析的基础上，提出l e d 特性 参数的测量方法、步骤及测量的关键。以定光栅摄谱仪和线阵c c d 作为光谱探测 器，以采集卡a c 6 0 1 0 和u s b 2 0 0 4 为控制数据采集的核心，使用l a b v i e w 做系 统的软件平台，完成了l e d 光谱测试仪硬件和软件的设计与开发。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、c c d 信号的采集及采集 结果的初步处理；实现了数字滤波、光谱波长、半波宽度、光功率、电参数的计 算。该套仪器系统可完成l e d 多种特性参数的同时测量，适用于l e d 的生产测试 和研究试验。 最后利用所开发的试验装置和仪器对样品进行了测试，给出了电参数和光 谱参数等测试结果数据，并分析了可能影响测量结果的因素，提出了系统的改进 意见和方法。 关键词：线阵c c d ，光电二极管，l a b v i e w ，摄谱仪，数据采集 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o no fo p t o e l e e t r o n i ed e v i c e , l e d ( 1 i g h te m i t t e d d i o d e ) i su s e dw i d e l y r e q u i r e m e n to f l e d sq u a l i t yw a sg r e a ti m p r o v e d ；p a r a m e t e r so f l e d s 躺t e s t e ds t r i c t l y t h ew a yt h a tl e d sq u a l i t yi sd e c i d e db ye x p o f i e n c eo rs i m p l e t o o l so a n tb es a t i s f i e dw i t l lm a r k e tr e q u i r e m e n t m a n ye n t e r p r i s e sa n di n s t i t u t e sh a v e d e v e l o p e ds o m ek i n & o fh i g hl e v e lt e s t i n gd e v i c e s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d ai l e wt e s t m e t h o db a s e d t h ea n a l y s e so ft h eo t h e rt e s t i n g h e m e s t h en e ws c h e m ec a ns a t i s f y w i t hd i f f e r e n tu $ e r sa n da p p l i c a t i o n sr e q u i r e m e n t , a n dt h es a l n et i m ew h i c h n i m p r o v et h et e s tp r e c i s e , r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c y t h i sp a p e rw i l lf o c u s0 nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nk e yt e s tt e c h n o l o g ya n dm e t h o d a b o u tl e db a s eo nl a b v i e w , i n c l u d i n gt h ep r i n c i p a l ，t h em e t h o d , t h es t e p sa n dt h e i m p l e m e n to f t e s ts y s t e l no f p a r a m e t e rt e s t i n g , s u c ha st h e r m a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o fs p e c t r u ma n dp h o t o m e t r i cp a r a m e t e r so fl e d ，f o c u so nr e a l i z a t i o no fs y s t e m s o f t w a r e f i r s t l y , w ei n t r o d u c e dt h el e dp a r a m e t e rt e s tp r i n c i p l ea n dt h et e s tp l a n s p e c i a l l y d e t a i l e de l a b o r a t i o nl e ds p e c t r u mp a r a m e t e rt e s tp r i n c i p l e , t h em e t h o do fi n c r e a s i n g t h et e s tp r e c i s i o na n dt h ei m p r o v e m e n tw a y i n c l u d i n gd i v e r g e n c ea n g l et e s tm e t h o d ； l u m i n o u si n t e n s i t yt e s tp r i n c i p l e ，m a t t e r sn e e d i n ga t t e n t i o na n de n h a n c e m e n tt e s t a c c u r a c ym e t h o d p r o p o s e dp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t s ，t h em e a s u r e m e n ts t e p sa n dk e yb a s e do n t h e o r e t i c a la n a l y s i sl e dm a i n l ys p e c t r a lp a r a m e t e r sa n de l e c t r i c a lp a r a m e t e r s u s e d s p e c t r o g r a p ha n dl i n e u r - c c dt os u r v e yl i g h ts i g n a l ，a n du s e dg a t h e r i n gc a r da c 6 0 1 0 a n du s b 2 0 0 4t oc o n t r o l ，g e ts i g n a ld a t a s o f t w a r ei sl a b v i e w h a sc o m p l e t e dt h e l o g a r i t h ma c c o r d i n g t ot h eg a t h a r m gc a r dd r i v i n g , c c d3 i 驴a lg a t h e r i n ga n dg a t h e r i n g r e s u l tp r e l i m i n a r yp r o c e s s i n g t h i si n s t r u m e n t ss y s t e mm a yc o m p l e t et h el e d 印慨 a n dt h el u m i n o s i t yp a r a m e t e rr 印i ds u r v e y , i ss u i t a b l et ot h el e dp r o d u c t i o nt e s ta n d t h er e s e a r c ht e s t f i n a l l yu s e dt h et e s te q u i p m e n ta n dt h ei n s t r u m e n td o n es o 雠t e s t , g i v i n g p r o d u c e dt e s tr e s u l td a t aa n ds oo i lt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e ra n ds p e c t r u mp a r a m e t e r , a n a l y s i so fm e a s u r e m e n tr e s u l t sm i g h ta f f e c tt h ef a c t o r sa n dp r o p o s e dt h ei n s t r u m e n t 重庆大学硕士学位论文 k e y w o r d ：l i n e a r - c c d ，l i g h te m i t t e dd i o d e ，l a b v i e w , d a t aa c q u i s i t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：过玩钍乌签字日期：矽7 年钼，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：、留扬咚鳄 签字日期：矽刁年月争日 导师签名：多铆童 签字日期于月午日 1 绪论 1 绪论 1 1l e d 的发展现状及应用前景 进入2 1 世纪，我们迎来了一个科学技术空前繁荣的时代，各种高科技的成果 正不断改变着人们的生活方式，这些都促进了光电子技术的迅猛发展。光电子器 件是信息光电子技术的核心和关键，发光二极管( l i g h te m i t t e dd i o d e ) 则是被 广泛应用的光电器件，发光二极管由半导体p n 结通过正向电流，利用半导体材料 中的电子和空穴复合时以高效率发出可见光或红外光的发光器件，可见光是指眼 睛能够感受到的辐射，波长范围为( 3 8 0 - 7 6 0 n m ) 。l e d 属于全固体冷光源，更小、 更轻、更坚固，一般来说l e d 的工作电压是2 3 6 v ，工作电流是o 0 2 _ 0 0 3 a ，这 就是说：它消耗的电量不超过0 1 w ，通过集群方式就可以满足不同需要。l e d 产 业的重心一直置于可见光部分，约占l e d 总产量的9 0 9 6 以上。l e d 具有体积小、响 应速度快、寿命长、可靠性高、功耗低等优点，能与半导体电路很好的匹配。 高亮度l e d 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。早期的l e d 主要是普通中低亮度的红、橙、黄、绿l e d ，随 着半导体材料技术进步和应用需求的发展，l e d 也向高亮度、全彩化、显示大型 化的方向发展。1 9 9 4 年第一个蓝色的l e d 诞生，标志着彩色显示所需的三基色红、 绿、蓝成为现实，蓝光l e d 的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能 量的蓝光部分地转换成其它颜色，将蓝光与转换磷的黄光整合在一起就能得到白 光。现在仅用l e d 光源就能完全覆盖c i e 色度曲线中的所有饱和颜色，在我国各 大城市已经到处可见l e d 的眩目光彩，l e d 正在改变我们的生活和工作环境。近 几年l e d 市场一直保持着稳步增长的发展态势，主要应用在以下几个领域： 背光源：用于小型液晶显示器的背光照明，适用于移动电话和笔记本电脑等产品， 如l c d 、按键、前面板、符号与键盘背景照明等，随着个人通信产品的大量使用， 对高亮度l e d 的需求也在不断增长。 全色动态大屏幕显示：广泛应用于体育场馆、车站、机场、商业、工业和其它行 业的大型和超大型信息显示屏，作为传统的点阵显示技术，其低廉的成本和大型 屏幕显示的特点相对于诸如等离子体、液晶等显示技术仍具有不可替代的优势。 信号指示灯：主要用于汽车指示灯和交通信号灯。作为汽车指示灯，高亮度l e d 具有很长的平均无故障工作时间，l e d 照明期间的使用寿命一般都要超过汽车本 身的寿命，在我国汽车工业高速发展的驱动下，汽车领域对高亮度l e d 的需求量 预计到2 0 1 0 年将达到6 5 亿颗左右。交通信号灯则是目前高亮度l e d 最有增长前 景的领域，相对于加滤光片的白炽灯不仅响应速度快、寿命长、抗震耐冲击，而 重庆大学硕士学位论文 且效率高、省电。 半导体照明光源：可广泛应用于城市景观照明、室内照明等领域。继半导体技术 引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命一照明革命，其标志是半导体 灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。世界三大照明工业公司g e p h i l i p s 和o s r a m 均成立半导体照明企业，以争夺半导体照明新兴产业的制高点。我国的“国家半 导体照明产业工程”也已于2 0 0 3 年7 月正式启动，通过十五科技攻关项目支持， 推动半导体照明产业在我国的发展。作为半导体固体“冷光源”，其环保、高效、 节能的特点使其成为传统的白炽灯和充气光源的理想替代品。在未来超高亮度、 大功率是l e d 重要发展方向【4 】。 1 2 课题的背景与意义 1 2 1 国内外现状 近年来，美国、日本、及欧洲等发达国家及政府组织在发光二极管( l e d ) 方面投入大量的人力、物力组织开发和研究，使l e d 光源的技术水平有了大幅度 的提高，功率已经达到了3 5 w ，发光效率达到3 0 1 m w ，使l e d 光源用于普通照 明成为可能。l e d 产品将成为最新的节能照明产品，但是l e d 照明器具是高技术、 高附加值产品，我国以往对l e d 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。 仅仅在上世纪9 0 年代，c i e 曾经发表了一个一般c e d 测试方法的技术报告。 但是由于近年来l e d 产品的技术发展迅速，现在发现的l e d 的许多技术特性都是 过去所未考虑到的。因此，在1 9 9 9 年日本京都举行的i e c 年会上，与会的发达国 家代表提议由i c e t c 3 4 ( 照明技术委员会) 制定白光l e d 照明器具的标准。日本 代表团还提交了一般照明用白光l e d 的两项标准草案。为了发展照明l e d ，发达 国家都非常重视l e d 的测试方法及标准。例如，美国国家标准检测研究所( n i s d 是一个世界著名的测试研究机构，目前他们组织国际知名测试专家开展l e d 测试 的研究，重点研究l e d 发光特性、温度特性、光衰特性等测试方法，试图建立一 整套的l e d 测试方法和技术标准，在l e d 测试方面已经走在了世界的前列。日本 成立了“白光l e d 测试研究委员会”，专门研究照明用白光l e d 的测试方法和技术 标准。世界发达国家为了抢占l e d 研究的制高点，在l e d 标准和测试方面都投入 了大量的人力物力，在标准方面注重选择l e d 特性参数及测试方法研究。 我国有关检测部门已经着手开展照明l e d 测试方法的研究，包括检测设备的 开发工作。全国照明电器标准化技术委员会已经将照明l e d 的技术标准和测试方 法标准列入2 0 0 4 年的标准工作计划，希望通过照明l e d 标准的制定，促进l e d 技术的发展和在照明领域的应用。自我国启动了半导体照明工程之后，掀起了l e d 2 1 绪论 产业的投资热潮，产业的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。但由于缺少专业的研究，检测水平低，仪器配套性差，检测精度低， 互相之间不可比对，测试项目不能满足需要。我国的专业检测机构虽然也曾开展 的一些l e d 测试的研究工作，但由于条件所限，尚不能形成完整的检测评价系统， 其水平与国外发达国家仍有较大差距。 为标准覆盖完整产业链，制定推广工作需加快。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。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。 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l e d 产业的 发展还要快马加鞭，上下游自有技术同获突破，创新和产业化不断提速。这样， 才能更好地适应l e d 业的快速发展“1 。 1 2 2 课题的意义 发光二极管( l i g h te m i t t e dd i o d e ) 是一种在半导体p n 结上加正向电流时利 用半导体材料中的电子和空穴复合高效率发光的发光器件，它具有体积小、发光 效率高、响应速度快、寿命长、功耗低等优点。l e d 的重心一直置于可见光部分， 最近几年l e d 的发展极为迅速，用途也更为广泛。 现在的l e d 照明产品检测技术和产品标准方面远远不能适应我国l e d 照明工 业发展的要求。我国l e d 照明的发展，首先应当建立和健全我国l e d 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l e d 照明产品的技术水平，进 而推动我国l e d 照明工业的技术进步，促进行业发展。 对l e d 照明器具的标准测试方法的建立，也将会促进半导体技术的进步，对 l e d 照明产品的生产和质量的提高，缩短我国与国际水平的差距，具有极其重要 的现实意义和深远的历史意义，将会产生巨大的经济效益和社会效益。 因为光电器件工作时往往是光性能和电性能、发光器件和探测器件结合在一 起，相互之间缺一不可。因此，测量中必须综合半导体发光二极管和探测器件的 光电特性。本课题就是根据照明l e d 的技术标准着重探讨l e d 的光电特性与测试 的方法，从而研制出自动化程度较高的l e d 检测系统。 该项目主要是针对当前很难判断l e d 发光亮度、波长、发散角等性能是否具有 一致性的问题，研制出一套自动化程度较高的测量l e d 发光特性的检测系统。此系 统的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，用来提高l e d 的检测水平及其质量。 3 重庆大学硕士学位论文 1 3 课题研究的主要内容 本课题主要针对l e d 最主要的光学特性和电特性参数的测试原理方法和测试 系统的实现进行研究，为l e d 的封装设计和照明设计提供必要的测试参数。光学 特性包括光功率、光强、光谱分布、发散角度等；电特性包括额定工作电流、工 作电压等。 本课题主要研究任务有： 对l e d 的电特性参数、光谱特性和光度特性参数的测量原理方法进行探讨， 阐述l e d 参数测量的理论基础： 介绍了获取l e d 光功率与光谱特性的硬件设备的原理及选取。利用试验装 置作测试试验，为软件编程提供依据。 编写数据采集卡的驱动程序，实现c c l ) 信号采集；编写l e d 获取光谱特性 参数程序；根据测试得到的l e d 特性参数数据对采集的信号进行数值分析处理并 编写数据处理程序。 利用试验装置和仪器获取l e d 样本的测试数据并对其试验结果加以探讨。 4 2l e d 特性参数及测试原理 2l e d 特性参数及测试原理 2 1l e d 的电学特性 l e d 通常由半导体p n 结芯片、电极、玻璃窗、环氧树脂透镜、绝缘体等构 成，p n 结芯片是它的核心。l e d 的p n 结电特性决定了l e d 的电特性。目前l e d 的主要电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。 2 1 1l e d 的伏安特性 二极管的性能可用其伏安特性来描述。为了测得l e d 的伏安特性，可在二极 管的两端加上一个电压u ，然后测出流过管子的电流i ，电流与电压之问的关系曲 线i = u ) 即是二极管的伏安特性。特性曲线分为两部分：加正向电压时的特性称为 正向特性( 图中右半部分) ；加反向电压时的特性称为反向特性( 图中左半部分) 。 如图2 1 所示： t ibb ， i r l 一 q 1 ， 韩妄工作耳r 、 用 住 正向死区 图2 1 i - v 特性曲线 f i 9 2 1i o vc h a r a c t e r i s t i cc u r v c 正向特性：只有当加在二极管两端的正向电压超过某一数值时，正向电流 才明显地增大。正向特性上的这一数值称为“死区电压”，死区电压的大小与二 极管的材料以及温度等因素有关。( 图o a 或鲫段) a 点对应的圪为开启电压。开 启电压对于不同l e d 其值不同，g a a s 为i v ，红色g a a s p 为1 2 v ，g a p 为1 8 v ， g a n 为2 5 v 等。 反向特性：当在二极管上加上反向电压时，反向电流的直很小。而且当反 向电压超过零点几伏以后，反向电流不再随着反向电压而增大，即达到饱和，这 个电流称为反向饱和电流，用符号i 。表示。通常二极管p n 结的伏安特性表达式为： i = i 。( e t - 1 )( 2 1 ) i 。为反向饱和电流，u ，是温度的电压当量，在常温( 3 0 0 k ) 下，u t m 2 6 m v 。 正向电压值：额定正向工作电流下，l e d 两电极间产生的电压降。测量原理如图 5 重庆大学硕士学位论文 2 2 所示：( e 叵流源，a - 一电流表，v 一电压表，d 一被测l e d 器件) g 图2 2 正向电压测试框图 f i 9 2 2t e s t i n g f o r w a r dv o l t a g eo fl e d 反向电压是指测量通过l e d 器件的反向电流为规定值时，在两极之间产生 的反向电压；反向电流是被测l e d 器件施加规定反向电压时产生的电流。测量原 理如图2 3 所示：( 压源，a 一电流表，v 一电压表，p 一被测l e d 器件) g 图2 3 反向电压和反向电流的测量 f i 9 2 3t e s t i n g v 般c u r r e n ta n d 侣v e r s ev o l t a g eo f l e d 我们知道发光二极管的导通电流一般为毫安级，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。在使用时，我们需要使测量的信号范围适合a d 板卡的电压转化范围。当电压通过a d 板的转化之后，就可以通过公式计算出电 流值的大小。而发光二极管上的电压降则可以直接测量出来。 2 1 2l e d 电光转换特性( p i ) p - i 特性从物理机理上看就是l e d 的电流注入发光效率。l e d 的发光是由正 向偏置的p n 结注入的载流子复合而产生的。注入载流子的复合并不全是辐射复 合，有部分将参与非辐射复合，如多声子过程、表面复合、俄歇复合等。而且载 流予辐射复合产生的光也不能全部射出管外。因此，用单位时间内输出的光子数 和注入的载流子数之比来表示l e d 的效率，称为“外量子效率”。l e d 的外量子 效率不仅与p n 结注入载流子的效率有关，还与辐射发光及光子逸出器件外部的效 率有关。可表示为： 6 2l e d 特性参数及测试原理 i le - - r l ir i ，t l 。 ( 2 2 ) i l 。为外量子效率，i i i 为注入效率、i l ，、r i 。分别为辐射效率和逸出效率。 注入效率r i t ：指通过p n 结的电子电流( 相对于空穴电流) 与总电流之比。 辐射发光效率r l ，：指辐射复合产生的光子数与注入的载流子数之比。对直 接带隙型半导体，降低注入的少数载流子的辐射复合寿命、提高其非辐射复合寿 命，可以提高q ，所以纯度高和晶体缺陷较少的材料，因非辐射复合中心少，所 以l l 。较高。 逸出效率n 。：指p n 结辐射复合产生的光子射出发光管外部的百分比。辐 射复合产生的光子通过晶体传输到外部的过程中，损耗主要来自晶体的吸收和界 面的反射，所以必须减小吸收损耗和增加界面的透射率。测得l e d 的p _ i 曲线如 下图所示： 8 输入功率密度( 影i 啪m 2l 图2 4l e d 光功率和电流的关系 f i 9 2 4 r e l a t i o no f l e d sp o w e ra n dc u r r e n t 2 1 3l e d 的其它电学特性 o c - v 特性 由于l e d 芯片的p n 结面积大小不一，一般使其结电容( 零偏压) c * n + p f 左右。 最大允许功耗p fn l 当流过l e d 的电流为，、管压降为u ，则功率消耗为p = u ，；l e d 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。若结温为乃、外部环境温度为t a ，则当乃 乃时，内部热量借助管座向外传 热，散逸热量( 功率) ，可表示为 7 o露一掣器；ic 重庆大学硕士学位论文 p = k t 也一疋j( 2 3 ) 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。l e d 的点亮时间上 升时间t ，是指接通电源使发光亮度达到正常的1 0 开始，一直到发光亮度达到正 常值的9 0 所经历的时间。l e d 熄灭时间下降时间f ，是指正常发光减弱至原 来的1 0 所经历的时间。不同材料制得的l e d 响应时间各不相同；如g a a s 、 g a a s p 、g a a l a s 其响应时间 1 0 母s ，g a p e 为1 0 4 3 。因此它们可用在1 0 1 0 0 m h z 高频系统。 2 2l e d 光学特性 l e d 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l e d ，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l e d ，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 2 1 发光法向光强及其角分布 发光强度( 法向光强) 是表征发光器件发光强弱的重要性能。l e d 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：位于法向方向 光强最大，其与水平面交角为9 0 。当偏离正法向不同0 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 上的一个很小的立体角元d c o 内所包含的光通量d 丸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 矿1 ， 1 ，。i ( 2 4 ) 单位是坎德拉( c a n d e l a ) ，符号为c d 。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l e d 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l e d 与探 测器表面构成的立体角太大，在这种近场条件下，并不能很好地保证距离平方反 比定律。实际发光强度的测量值随着上述几个因素的变化而不同，严格地说并不 s 2l e d 特性参数及测试原理 能测量得到真正的l e d 的发光强度。为了解决这个问题，使测量结果具有可比较 性，c i e 推荐使用“平均发光强度”概念：照射在离l e d 一定距离处的光探测器上 的通量由，由探测器构成的立体角的比值，其中立体角可由探测器的面积s 除以测 量距离d 的平方计算得到，如图2 - 4 所示。因而有如下表达式： i = 由q q ：s d 二( 、2 卧 光探测器入射孔径为1 平方扈米 图2 5c i e 平均l e d 发光强度测试原理 f i 9 2 5 c i ea v e r a g el e di t e n s i t yt e s t i n g 一瑚黼 从物理上看，这里的平均发光强度的概念，不再与发光强度的概念关联得那 么紧密，而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。c i e1 2 7 关于近场条件 下的l e d 测量，有两个推荐的标准条件：c i e 标准条件a 和c i e 标准条件b 这两个条件都要求，所用的探测器有一个面积为l g l n 2 ( 相应直径为1 1 3 r a m ) 的 圆形入射孔径，l e d 面向探测器放置，并且要保证l e d 的机械中心通过探测器 的孔径中心。两个条件的主要区别在于：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 1 所示： 表2 ic i el e d 平均发光强度标准测试条件 t a b l e2 1c i el e da v e r a g ei n t e n s i t y t e s t i n gc o n d i t i o n s l e d 顶端到探测 c 皿推荐立体角平面角( 全角)应用 器距离 标准条件a 3 1 6 m mo 0 0 l 口2 0 窄视角l e d 标准条件b 1 0 0 m m0 0 1 s t 6 5 。一般l e d 2 2 2 发光峰值波长及其光谱分布 l e d 的发光功率输出随着波长变化而不同，绘成分布曲线即光谱分布曲线。当 此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。l e d 的 光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及p n 结结构( 外延层厚度、掺杂杂 9 重庆大学硕士学位论文 质) 等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。 峰值波长：无论什么材料制成的l e d ，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，用入p 表示。 半波宽度( 谱线宽度) ：是对应最大光谱功率的1 2 处两个波长之间的差， = 名，一名，也称半功率宽度或半高宽度( 如图2 6 所示) 。半波宽度反映谱线 宽窄，即l e d 单色性的参数，一般l e d 半宽小于4 0 砌。 1 0 皤 萎 5 皤 图2 6 半波宽度 f i 9 2 6w i d t ho fh a i fp e a k - w a v e f o r m 相对光谱功率分布：l e d 光源的光谱功率分布可用下式求得： 最以) = 胁以) 裂 ( 2 6 ) 其中b 以) 和风0 ) 分别是待测l e d 和标准光源的光谱功率分布，圪o ) 和 乓q ) 分别是光辐射探测器对待测l e d 和标准光源的响应值，b 以) 是标准值，可 通过查表获得，所以测得标准光源和l e d 光源对同一探测器的光辐射响应就能计 算出待测l e d 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。 色度坐标：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。颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼 的视觉特征。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颜色视觉实验，确定一组为匹配等光谱各种颜色的三原色 数据，用于色度学的测量和计算。l e d 属于一种半导体光源，如果已经知道器件的 光谱功率，要计算l e d 器件的色坐标及其它参数，则可以按以下式子计算： x = k f p 以声0 ) 以= k p 以弦以) 从 3 1 1 0 瑚 ( 2 7 ) 1 0 2l e d 特性参数及测试原理 y = k p 以鼬协- - x e 砌涉以m 3 8 0 3 ” ( 2 启) 7 8 0 7 8 0 z = 足尸o h 旯m = k z p 似声 ) 姐 3 8 0 3 ” ( 2 9 ) x ( a ) ，y ) ，z ( a ) 是1 9 3 1 c i e x y z 标准色度观察者光谱三刺激值，可通过查表获 得。由于实际上很难用数学表达式来写出p ( 九) ，因此常以求和来近似积分。k 称 为调整系数，它是将照明体或光源的y 值调整为1 0 0 时得出，即：( y 为光源的亮 度) k ： ! 塑 ( 2 1 0 ) e p 0 汐q 必a m 2 2 3 光通量 光通量f 是表征l e d 光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。f 为l e d 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，l e d 光通量随 之增大。可见光l e o 的光通量单位为流明( 1 m ) 。 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。 2 2 4 发光亮度 光亮度是l e d 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。光源表面一点处的 面元在给定方向上的发光强度d i ，与该面元在垂直予给定方向的平面上的投影面 积的比值。用l ，表示，单位为：e d m 2 或n i t 。 l = d i ，( d s c o s0 ) = d 2 ( d o d s e o s0 ) ( 2 1 1 ) 此外，l e d 亮度与外加电流密度和环境温度有关，一般的l e d ，j o ( 电流密度) 增 加亮度也近似增大；环境温度升高，n ，( 复合效率) 下降，亮度减小。当环境温 度不变，电流增大足以引起p n 结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。 2 2 5 l e d 的寿命 l e d 发光亮度会随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象，这种现象被称 为老化。器件老化程度与外加恒流源的大小有关。可描述为( b t 为t 时间后的亮度， b o 为初始亮度) ： e = b o e ， ( 2 1 2 ) 通常把亮度降到8 , = 1 2b 。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l e d 加上一定的恒流源，发光1 0 3 - 1 0 4 重庆大学硕士学位论文 小时后，先后测得b o ，规定b , = 1 0 0 0 1 0 0 0 0 ，代入2 - 1 1 的公式先求出1 ；再将t 代入b 。= l 2b o ，可求出l e d 的寿命t 。 2 3l e d 的热学特性 l e d 的光学参数与p n 结结温有很大的关系。一般工作在小电流， 1 0 m a ， 或者1 0 - 2 0m a 下，长时间连续点亮l e d 温升不明显。若环境温度较高，l e d 的 主波长或名，就会向长波长漂移，亮度也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对 l e d 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。l e d 的主波长随温度关系 可表示为： i x，、o z p 【rj 2 j + 加l n m c ( 2 1 3 ) 由式可知，每当结温升高l o ，则波长向长波漂移l n m ，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l e d 能够长期稳定的工作。 1 2 3l e d 自动检测系统的总体描述 3l e d 自动检测系统的总体描述 3 1 检测系统的总体结构 3 1 1 系统的设计要求： 课题主要研制一种对l e d 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，以满足当前市场对l e d 测试的需要。该测试系统由驱动发 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、 计算机数据处理等功能组成，实现对l e d 的自动检测和按要求自动分选的目的。 主要设计任务如下； 发光效率精度： 1 ；光谱范围：3 8 0 n m - 7 5 0 n m ) 峰值波长精度；如5 r i m ；驱动电流控制精度： 1 0 0 mq ，最大输入电压 6 m a 。 p c i 总线，符合p c i v 2 1 标准。 a c 6 0 1 0 占用6 4 个f o 选通空间( 自动分配) 。 d a 卡( a d 7 8 4 7 ) ：a d 7 8 4 7 是美国a d i 公司推出的一种采用精密双极性 低功耗c m o s 逻辑电路工艺及l c 2 m o s 技术制造的双路1 2 位乘法型数模转换器。 它具有并行、电压输出、宽工作电压等特点。a d 7 8 4 7 是一种双路1 2 位乘法型电 压输出数模转换器，片内的输出放大器能够为2 k 的负载提供正负1 0 v 的输出电 压，放大器反馈电阻与a d 7 8 4 7 的电压输出端的内部连接。a d 7 8 4 7 广泛应用于 自动测试设备、函数发生器、波形产生器、可编程功率输出。主要包括三个部分： 控制逻辑电路，a 路数模转换器和b 路数模转换器。控制逻辑电路有3 个控制信 号：c s a 、c s b 与w r 配合选择转换通道，同时完成转换数据的锁存。每路数模 转换电路都包含数据锁存器，将每次1 2 位转换数据保存至下一个转换周期。转换 电路还包括输出运放，可直接输出电压。 a d 7 8 4 7 的基本功能： 双通道、1 2 位精度电压输出乘法模数转换控制器 紧凑的封装形式：2 4 脚0 3 英寸d i p 封装，2 4 端s o i c 封装 并行1 2 位数据接口 4 2 反馈控制恒流源的软件设计 4 2 1 恒流源的测试及控制原理 在这一功能模块中由于要精确控制恒流源的输出电流，就要首先找出影响恒 4 系统中的受控恒流源模块 流源输出的因素及其影响方式。因此，我们首先做两个测试实验，通过测试得到 电阻随温度变化和预设初电流与输入初始调节电压的数据关系，以作为后续软件 控制补偿调节恒流源输出的数学依据。再通过软件补偿的方式控制恒流源输出了。 恒流源控制原理：p c 机通过软件预先设置电源的输出电流i 。，将i 。换算 为输出初始控制电压u i 并由计算机送出。由于a c 6 0 1 0 采集的是电压信号，所以 先将i 。转化为电压值u o 再送入计算机。再在采样电阻上采集读取电压值u ，( u s = i o * r s ，采样电阻r s = 1 0 5 10 ) 判断u 。与u o 是否相等，若不相等则用软件补偿的方 式调节控制电压u i 。( u i = u i 士u i ) ，从而控制电流输出单元以达到反馈 控制的目的。从a d 转换电路得到的数据由p c 机进行分析、比较处理后再由a d 开关量输出控制数据，经d a 转换为模拟量控制电流输出。用软件实现循环监控、 调整补偿电压直到满足精度条件或停止检测。 在受控恒流源的工作过程中，软件需要实现数据采集卡的测试采集、数据的 比较分析、反馈控制程序及采集卡数字量的输出的控制功能等。具体内容如下： 1 ) 采集卡数据测试采集功能主要是：完成l a b v i e w 对a d ( a c 6 0 1 0 ) 采集 卡的驱动，实现对采集卡的初始化及参数设定；读取采集卡参数。 2 ) 数据比较分析功能主要是：