（测试计量技术及仪器专业论文）发光二极管特征参数分析及其测试技术研究.pdf

摘要 本文在发光二极管的特征参数及其测试条件的理论基础上，介绍了一种能够 对发光二极管( l e d ) 或其它光源作相关光电参数和色参数进行测试的测试仪器 的设计，同时在实践中对相关的理论和测试方法进行了探讨和验证。该仪器系统 采用光电二极管作为光电探测传感器，以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心处理器，进行数 据采集和现场控制，并通过与p c 机发生通信，将数据发回p c 机进行进一步的处 理，p c 可在此基础上从算法级对二极管特征参数进行分析和运算，并进而以合适 的数据表现方式给出分析结果。 全文共分六章。 第一章绪论，介绍了国内外发光二极管产业的现况和发展前景，揭示了对发 光二极管特征参数进行准确测试的重要性以及现有的一些测试方法的不足之处， 并在此基础上提出了本课题的研究方向。 第二章理论综述，简要介绍了发光二极管结构特点，分析并给出了各项重要 特征参数及其测试原理和方法，这是本论文的理论基础部分。 第三章给了出了系统的总体设计方案，介绍了仪器系统的总体结构设计和测 试方案，以做便于在此基础上对系统设计进行硬件系统和软件系统方面上的展开。 第四章硬件设计，从硬件方面对系统的各个子功能系统进行了细致的阐述， 对各个子功能的实现提出了切实可行的解决办法。 第五章给出了本系统的软件部分结合程序流程框图和代码，对人机界面和交 互接口的实现，数据处理算法的实现等作出了详细的剖析。软件部分为提高测试 准确度在软件上对采集数据进行了软件抗干扰优化，对于单片机与p c 机之间的数 据交互进行了可靠的通信协议设计，从软件方面保证了设计的实用性。 最后一章给出t n 用本仪器系统进行测试的一些实际测量结果，并对之进行 了分析和讨论，并提出了一些改进意见。部分数据结果以表格的形式在附录中给 、 出。 关键词： 发光二极管( l e d ) ，单色仪，探测器，单片机，通信协议，光谱能量分 布，线程 a b s t r a c t n l i 8p a p e ri n t r o d u c e sa ni n s t r u m e n tw h i c hi s a p p l i e d t om e a s u r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c p a x a m e t e r so f1 磅te m i t t i n gd i o d e so rs o y n eo fo t h e ra g h ts o k l i e e s r e l e v a n tt h e o r i e sa t e v e r i f i e d b yt h i s i n s t r u m e n t t h ep r i n c i p l eo ft h i si n s t r u m e n ts y s t e mc a nb ed e s c r i b e da s f o l l o w s ：i tt a k e sp h o t o d i o d ea si t sd e t e c t o r , a n das i n g l e c h i pm c un a m e da t 8 9 c 5 1i st h e c o r e p r o c e s s o r t h a t m a n a g e s d a ba c q u i s i t i o n ，f i e l d c o n t r o l ，d a bc o m m u r d c a t i o n ，e t c p c a n 由s e sd a b sa n da p p l ya l g o r i t h m st og e tt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fl e d ，a n dt h e n g i v e so u t t h er e s u l t so f a n a l y s ei n p r o p e rw a y s t h i s p a p e r c o n s i s t so f s i 】【c h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ec u r r e n tc i r c u m s t a n c eo fl e d i n d u s t r yi nt h ew o r l da n dt h e p r o s p e c to f t h i si n d u s t r ya r ed e s c r i b e d h e r e t h em e a s u r e m e n to fl e d s a r ee m p h a s i s e do n f o ri t s i m p o r t a n c e ，s o m e o f e m s t i n g m e t h o d s d e f e c t sa r e e n u m e r a t e d ，a n dt h e nt h e a t t e n t i o no ft h i sd i s s e f t i o ni sd e 打e d c h a p t e rt w o , j u s tg i v e ss o m ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fl e d sa n dt h ep r i n c i p l eo f m e a s u r i n g m e t h o d s c h a p t e rt h r e et a l k sa b o u tt h eo v e r a l ls c h e m et h a tc o n c e r n sa b o u tt h ed e s i g no ft h e s y s t e m s a r c h i t e c t u r ea n dm e a s n r i n gp l a n b a s e do nt h i s p a r t ，h a r d w a r ea n d8 0 f t x v a r ei s d e s i g n e d t h en e x t c h a p t e r f o u ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ew i t ld i v i d e nf u n c d o n db l o c k si n d e t a i l s ，a n da p p l i c a b l em e t h o d sd e a l i n gw i t ha l lt h ef u n c t i o n mb l o c k si nh a r d w r ea r ei s s u e d i n c h a p t e r f i v e ，t h e r ea r em a wp r o c e d u r e sa s s o c i a t e dw i t hf l o w d i a g r a m s o t c o d e s ，t h e y m a k et h e s y s t e m u s e e a s i l y a n de f f e c t i v e l y t h e i m p l e m e n t o ft h eu s e r s i n t e r f a c e s ，d a t ai n t e r f a c e sa n da l g o r i t h m sa r ee x p r e s s e dh e r e ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g m n go f d e a l i n g w i t ha n t i - n o i s ea n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 t h ef i n a lc h a p t e rw es u m m a r i z e dt h ew o r kw h a th a sb e e nd o n ei nt h i sd i s s e r t i o n ，a n d s o m er e s u l t so fl e d s m e a s u r e n tw i t ht h i si n s t r u m e n ta r el i s t e d ( s o m eo ft h e ma r el i s t e da s t a b l ei na p p e n d i x ) w ea l s op o i n to u tt h es h o r t c o m i n g so ft h es y s t e m ，a n df u r t h e rw o r k i s l o o k e df 0 1 w a r d k e yw o r d s l i g h te m i t t i n gd i o d e s ( l e d ) ，m o n o c h r o m a t o r , d e t e c t o r ，s i n g l e - c h i pm c u ， c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，s p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o n , t h r e a d - i i 第一章绪论 1 1l e d 产业的现况及其发展前景 1 1 1l e d 产业现况 发光二极管( l e d ) 是近几年来迅速崛起的半导体光电器件。它具有体积小、 价格低，重量轻、电压低、电流小、亮度高，发光响应速度快，驱动电路简单等 优点，已经被广泛运用在汽车，手机，显示屏，电子仪器和工：业系统中。近年来， l e d 技术不断获得新的进展，特别是高亮度的蓝，绿光l e d 技术和白光l e d 技 术的突破，使l e d 的应用范围不断拓宽，已成为本世纪极具发展潜力的电子产品 之一。 在发光二极管产业领域中，普绿和高亮度纯红l e d 已经基本实现商品化， l e d 产业的重心主要在于可见光部分，约占l e d 总产量的9 0 以上，但有较长 时期因缺少高亮度的蓝与绿光而难以呈现丰富的色彩。 近年来以氮化镓( g a n ) 为代表的第三代半导体材料异军突起。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，最适宜于制 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 ，并且在此基础上又发展了白光l e d 技术，其中一种方法是以4 6 0 n m 波长的i n g a n 蓝光晶粒涂上一层y a g 荧光物质，利用蓝光l e d 照射此荧光物 质以产生与蓝光互补的5 5 5 n m 波长黄光，再利用封装材料将其予以混合，从而产 生近似的白光。 长期以来因缺少高亮度的蓝与绿光而难以呈现丰富的色彩的景况将伴随这 些新技术的发展而得到根本改变，并且l e d 在照明领域也找到了新的发展机遇， l e d 开始了从标识功能向照明功能的实质性迈进。 目前自光l e o 仍处于初期发展阶段，在使用寿命上仍待改进，但基本上没有 白炽灯泡、荧光灯的缺点，价格过高是未能普及的主要原因。未来白光l e d 的应 用市场将非常广泛，不过最被看好的市场以及最大的市场还是取代白炽钨丝灯泡 及荧光灯。 浙江大学硕+ 学位论文第一章绪论 另外，虽然现在计算机显示屏已经普遍采用液晶显示，而且有源矩阵液晶显 示器已经是当前大量生产的产品，可以显示色彩丰富的电视图像，但需要较暗的 背景，视角较小，尤其是用它制造大尺寸显示屏的成本较高，因此，l e d 显示屏 与之相比将成为一种更佳的平面显示器件。 近几年来我国l e d 显示屏的生产已经逐步形成行业规模，有关资料显示，市 场规模每年约为3 5 亿4 亿人民币。并且，l e d 显示屏的关键控制技术随着超 大规模集成电路( v l s i ) 的发展而日趋完善，e p l d 、d s p 以及f p g a 已经得到广 泛应用，一些厂商正在研发专用的l e d 控制集成电路。l e d 显示屏与l c d 、p d p 等同类平板显示屏产品比较，由于l e d 产品具有性能稳定、寿命较长、功耗较小 以及价格低廉等优势，因此在各种实际应用中具有较强的市场竞争力，其市场前 景十分广阔。 1 1 2l e d 产业的发展前景 由于发光二极管产业不断涌现新技术、新产品、新的应用领域，呈现出朝阳 工业欣欣向荣的景象，许多人相信在本世纪的头十年中，l e d 产业会按以下方向 持续迅速发展： ( 1 ) 企业会在超高亮度、全彩色技术方面扩张投资，提高产量，从业人员会 有增加，根据有关资料介绍，我国( 包括台湾和香港地区) 将成为世界l e d 的主要 产地，预计占世界总量的六成以上，超高亮度l e d 会有3 0 速度增长，而传统 l e d 也会有5 一1 0 速度的增长。 ( 2 ) 由于许多色别的发光二极管的光强目前都达到烛光级水平，相信随着器件 结构的改进、发光效率的飞速提高，今后l e d 发展的主流是照明光源，将在一些 领域取代白炽灯，与其它光源互补、并存、共同发展。面临着照明光源的变革， l e d 有可能是2 1 世纪的主要照明光源。 ( 3 ) 世界光电子产业的发展推动l e d 应用领域的变化发展。随着产业的发展， 会有更多的资金投向l e d 的研究和生产，现有超高亮度、蓝色、绿色l e d 的技术 为少数企业垄断的局面将会被打破，产品成本会大幅度下降，从而促进市场的再 开发、应用的再拓展。 总之，l e d 产业的各方面的这些进展必将使得l e d 在和传统光源的竞争中 脱颖而出，并在全色显示、交通信号、白光照明灯等方面形成新的产业增长点。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 这种新的应用也使得准确定量地测试l e d 的各种特性参数的需求越来越迫 切，这也是提高产品设计水平和产品质量的基本要求。 1 2l e d 参数测试及其存在的问题 准确测试l e d 各类光电参数对改善l e d 的性能作用颇大，其中光谱量的测 试基本上有三种方法，一是把测量光用若干块不同波长的带通滤光片过滤后到达 光探测器，光探测器一般用光电倍增管和硅光电二极管。二是把测量光经衍射光 栅分光后到达线阵c c d 电荷耦合器件。三是用单色仪分光后进行测量。前面两种 方法主要用于便携式光谱测试仪对l e d 进行多参数一次性快速测量，用同一结构 配置的硬件测量多个参数必然降低测量精度，后一种方法计量部门运用较多，能 得到高精度的测量值，但测量时间较长。 有人沆l e d 光学参数的测试与其它一些科学实验相比更具“艺术性”，意思 是由于l e d 测试具有很大的不确定性，它的测试效果的再现性比较差，不同测试 装置之间的测试结果一致性差。l e d 光源与传统光源之间在物理尺寸，光通量， 光谱，光强的空间分布等方面存在着很大的差异，对它的量测方法有其一定的特 殊性。有专家建议，l e d 参数测试时关注以下几个方面对提高l e d 的测试精度 有重要意义： ( 1 ) l e d 的机械中心c i e 建议，测试时采用l e d 的机械中心而非光学中心。 ( 2 ) 保证l e d 的驱动电流恒定。 ( 3 ) 在l e d 工作状态稳定时或以稳定的时间间隔进行测量。 ( 4 ) 确保几次测试时的环境温度的一致性。 ( 5 ) 使用再现性较好的测试装置。 ( 6 ) 确保测试装置得到正确的维护和校准。 要提高l e d 测量精度，需要有一些标准测量方法和标准l e d 加以规范。为 此，国际照明委员会c i e 也专门成立专业委员会对此予以关注，制定并推荐了c i e 1 2 7 1 9 9 7“m e a s u r e m e n to f l e d s ”，希冀对l e d 的辐射度，光度和色度的测量 进行规范。鉴于l e d 不仅是一种光源，也是p n 结半导体器件，实际应用中经常 浙江人学硕士学位论文第一章绪论 也需要关注它的电参数，只有获知正向电压，反向电压，正向电流的情况下，才 能恰当地利用好l e d 。此外，经常要顾及到人眼对不同颜色的感官反应，l e d 的 颜色特性的重要性也需要有所突显。 l e d 测试中的一些主要电，光，色参数大致有： ( 1 ) 相关电参数： 正向电压v 。 反向电压v r f 向电流i 。等。 ( 2 ) 相关光参数： 相对光谱功率分布特性( r e l a t i v e s p e c t r a ld i s t r i b u t i o n s ) 峰值波长( p e a k w a v e l e n g t h ，天p ) 半宽度( f u l l w i d t h h a l f m a x ，f w h m ) 光通量( l u m i n o u sf l u x ，巾v ) 发光强度( l u m i n o u si n t e n s i t y ，i v ) 等。 ( 3 ) 相关色度学参数： 色品坐标x ，y 色温 主波长( d o m i n a n t w a v e l e n g t h ) 等。 1 3本课题主要研究内容 随着发光二极管产业的发展及其对测试手段要求的提高，希望有一种恰当的 方法对l e d 的光电参数进行测量，并对相关参数的标准化工作作一些有益的探 讨，以期提高产品的设计水平和产品性能。 本课题将关注l e d 测量的以下方面： ( 1 ) 对l e d 的光度测量，颜色测量等的方法加以探讨。 ( 2 ) 研制一种能够用于l e d 的相关参数测量的实用仪器。 ( 3 ) 获取l e d 的光度，色度量的相关测量结果，并作一些探讨。 - 4 一 第二章理论综述 2 1l e d 简介 图2 - 1 中显示了一些常见的l e d 的封装形式，其品种多样，多彩丰富。但l e d 的最核心的部分是一个半导体p - n 结芯片，它在正向偏置时，使p - n 结附近的电 子和空穴复合，并同时激发出光子( 光) 。这里光子的能量是由复合发生处的能 带决定的。由于人眼只对4 0 0 n m 7 8 0 n m 范围内的可见光波段敏感，即只对能带隙 幽2 - - 1 常见l e d 的封装 宽为3 1 e v 一1 6 e v 的光子敏感( 转换关系式为：九= 1 2 4 e v ) ，同时元素周期表中 的i i i 一族元素构成的化合由于具有合适的能带属性，如铝、铟、镓的氮化物 a 1 n 、i n n 、g a n 等，其能带隙宽为1 9 6 2 e v ，能够产生绿光、蓝光和紫外光， 成为制造l e d 的极佳材料。尤其以氮化镓( c a n ) 为代表的第三代半导体材料最 为引人注目，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，是一种极具应用价值的半导体材料，因此，氮化镓材料及其合金最 适宜于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 。引人注目的是，在蓝光l e d 技术的基础上以蓝光激发 y a g 荧光材料而制造成功的白光l e d 渐成新宠，深受广大用户欢迎，有望成为 照明领域的一支新军，因此，目前在全球l e d 市场上，蓝、绿、自光l e d 正在 开始形成三足鼎立的态势，成为最具发展潜力的l e d 产品。 5 一 浙江大学硕士学位论文第二章理论综述 图2 - 2 中示出了- - f e 常见l e d 的结构。l e d 并不只单单是l e dj 蓉片，l e d 芯片在熬个结构体中只是很小的一部分。a 图中，环氧树脂封装体和引线占居了 整个l e d 体积的大部分。着色环氧树脂模制透镜用以设定出射光的方向，光束的 ( a )( b ) 图2 2l e d 结构 空间分布或作为光学滤光片增强颜色的对比度。b 图，用一种反射杯( c u p ) 结构 来反射芯片( d i e ) 发出的光，以提高发光效率。 l e d 可能以各种封装形式呈现，但一般说来它们总是包括相关部件如上述的 透镜，反射杯等扩散体，不同的颜色材料等，来控制出射光的空间分布和光谱分 布。不同的封装中，芯片( d i e ) 的大小，类型，位置都可能不同，并由此而拥有 不同的机械强度。 2 2l e d 的重要特征参数的定义和测试方法 l e d 即是一种半导体器件，又是一种发光器件，为了利用好它，需要从它的 电学和光学特征分别对它作一些研究，并测量出相关的主要特征参数。 从电参数方面来看，l e d 必须是在p n 结正向偏置的条件下工作，这时的出 射光的能量是正向电压v f 和正向电流i ，的函数，而且l e d 的光辐射主要处决于 通过p n 结的电流，但l e d 的p n 结中的过大的电流密度会引起部分过热从而破 坏l e d 管芯的晶格结构，超过最大结温，会造成l e d 毁损的灾难性的后果，因 而必须限制通过l e d 的驱动电流，大多数l e d 的都指定了其正常工作电流为 2 0 m a 。 一6 浙江大学硕士学位论文 第二章理论综述 保持i 。的稳定对l e d 光学特性测量尤为重要，通常在进行光学特性量测时要 用到恒流源。l e d 的光学测量有很多种方式，不过从总体上来看，可以按所要求 测量的量的类型归类起来。测量仪器的选择可以如下进行：采用光度计或光谱辐 射度计来测量光度量；采用辐射计或光谱辐射度计来测量辐射度量；采用光谱辐 射度计来测量波长和色度学量； 2 2 1电学特征参数及其测试 l e d 的电学特征参数主要包括正向电流i ，正向电压v ，反向电流i 。和反向 电压v r ，这是衡量一个l e d 是否能够正常工作的最基本的判据，这里仅作一些 简要介绍，不作为关注重点。 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 - 3 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 3 正向电压的测量图2 4 反相电压或反相电流的测量 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 - 4 ，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。 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 4 ，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。 2 2 2光学特征参数及其测试 浙江大学硕士学位论文第二章理论综述 l e d 的光学特征参数包括：光通量( l u m i n o u sf l u x ，c i ) 。) 发光强度( l t a n i n o u s i n t e n s i q , ，i x , ) ，相对光谱功率分布特性( r e l a t i v es p e c t r a ld i s t r i b u t i o n s ) ，峰值波 长( p e a k w a v e l e n g t h ，入，) ，峰值波长半宽度( 或称光谱辐射：特宽，f u l l w i d 血h a l f m a x ，f w h m ) 等，这些是衡量l e d 作为一个光源的发光特性的要素。 2 2 2 1光通量和辐射通量 在辐射度学上，l e d 辐射通量中。用来衡量发光二极管在单位时间内发射的 总的电磁能量，单位是w 。它通常表示l e d 在空问铂i 度范围内，每秒钟所发出 的能量。由于光子能量的大小与波长成反比，紫外光的光量子将会比可见光和红 外光的光量子的能量来得更多。l e d 在某个波长发射的辐射通量称为单色辐射通 量或光谱辐射通量中。，单位是w n m ，两者的关系是： 西，：旦业 “ d 五 ( 2 1 ) l e d 光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通量中、，单位 是流明( 1 n 1 ) ，与辐射通量的概念类似，它是l e d 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。但要考虑人眼对不同波长的可见光的光感觉 是不同的，国际照明委员会( c l e ) 为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结， 在明视觉条件( 亮度为3 c d m 2 以上) 下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率 函数v ( 九) ，它在5 5 5 n m 上有最大值，此时1 w 辐射通量等于6 8 3 1 m ，如图2 5 所示，其中v ( 九) 为暗视觉条件( 亮度为o 0 0 1 c d m z 以下) 下的光谱光视效率。 趔 翻 督 靛 罂 啪栩a 5 8 0鼬0鼬瑚7 波长( n m ) 图2 - 5 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数 一8 浙江大学硕士学位论文第二章理论综述 明视觉条件f ，辐射量同光通量的转化表达式司以表不为： 办= 6 8 3 e 屯( ) 矿( 五) d 五 ( 2 _ 2 ) 暗视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为： 办= 1 7 0 0 j 7 8 8 # e ( - g ) v ( 2 ) d a ( 2 3 ) 通常的测量以明视觉条件作为测量条件，并且在l e d 的测量时，为了得到准确的 测量结果，必须把l e d 发射的光辐射能景收集起来，并用合适的探测器( 应具有 被 器 图2 - 6 利用积分球进行l e d 的光通量测量 c i e 标准光度观测者光谱光效率 函数的光谱响应) 将它线性地转 换成光电流，再通过定标确定被 测量的大小。这里可以用积分球 来收集光能量，如图2 - 6 ，积分球 又叫光度球，是一个球形空腔， 由内壁涂有均匀的白色漫反射层 ( 硫酸钡或氧化镁) 的半球壳组 装而成，被测l e d 置于空腔内。 l e d 器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，使整个球壁上的照度均匀分布， 可用一置于球壁上的探测器来测量这个与光通量( 或辐射通量) 成比例的光( 或 辐射) 照度。基于积分球的原理，图中挡屏的设计是为了避免l e d 光直射到探测 器。球和探测器组成的整体要进行校准，同时还要关注探测器与光谱光视效率v ( 九) 的匹配程度，使之比较符合人眼的观测效果。 测得发光二极管的光通量或者辐射通量后，就可以迸一步经计算获得l e d 器 件的发光效率或辐射效率。其计算关系式定义为： 辐射效率 = 毒 - 4 ) 发光效率 巩= 毒 ( 2 - 5 ) 其中i 。v ，分别是发光二极管的正向电流和正向电压。 浙江大学硕士学位论文第二章理论综述 2 2 22发光强度和辐射强度 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dq 内所包含的光 通量d q b 。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：l = 7 d 办6 - ，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 不能很地保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同 而不同，从而严格地说并不能测量得到真正的l e d 的发光强度。 为了解决这个问题，使量测结果可通用比较，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中。与由探测器构成的立体 一淼嚣誉2 图2 7c l e 平均l e d 发光强度测试原理 角的比值。其中立体角可将探测器的面积s 除以测量距离d 的平方计算得到，如 图2 7 所示。因而有如下表达式： ，：立：，_ qs d 2 ( 2 6 ) 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 e 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1 c m 2 ( 相应直径为1 1 3 m m ) 的圆入射孔径， 一1 0 一 浙江人学硕士学位论文第二章 理论综述 l e d 面向探测器放置，并且要保证l e d 的机械轴通过探测器的孔径中心。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 - 1 所示： l e d 顶端到探测 c i e 推荐立体角 平面角r 全角1应用 器的距离d 标准条件a 3 1 6 m m0 0 0 1s r2 。 窄视角l e d 标准条件b1 0 0 m m0 0 1s r65 0一般l e d 表格2 - 1c i e 平均l e d 发光强度标准测试条什 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 。 2 2 2 3相对光谱能量( 功率) 分布 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l e d 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。l e d 的光辐射的谱分布与通常 所用的光源不同，典型的l e d 的光输出是一个窄带光谱，其带宽是在2 0 n m 到5 0 r i m 捌 龊 撒 梨 兹 罂 洲 l 红 x 。o s j b 、 4 0 04 * o5 6 0 0蝴瑚 波长( n m ) 图2 - 8 部分l e d 的光谱能量分布 较重要的意义。 之间，峰值波长位于 u v ，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 - 8 示出了一些l e d 的光谱分布。l e d 的光 = 谱特性对于指导生产 以及方便最终用户对 l e d 产品的选型有比 浙江大学硕士学位论文第二章理论综述 l e d 的光谱参数主要有： ( 1 ) 峰值波长( p e a k w a v e l e n g t h ， 。) 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l e d 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。 ( 2 ) 光谱辐射带宽a 光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔，它表 示发光管的光谱纯度。从图2 - 8 中可以看出 = 。一九一0 5 ，其中 0 5 ， 。分别是峰值波长两侧光谱辐射功率是最大值一半处的波长。 ( 3 ) 中心波长九。图中九。一 0 s 的中点处的波长。 ( 4 ) 质心波长 。 图中光谱能量曲线的质心处的波长。可以由下式来计算 如= 黜= 蒜 ( 2 7 ) 可以按如图2 - 9 所示的测试原理图来测量：当被测l e d 器件的正向工作电流 刍l 斗e d单 探指 眵、彦测 千仪 尔 i 厂一 一j 器器 图2 - 9l e d 的光谱能量分布p ( ) ，峰值波长 p ，光谱辐射带宽a 的测试原理图 达到规定值时，转动单色仪的光栅，使指示器读数达到最大值，这就是该器件的 发光峰值波长枷。再转动单色仪光栅( 朝相反方向各转一次) ，使指示器读数为 最大值的一半时，读出两个等于最大值一半的数值 。0 , 5 ， 。两者之差即为 光谱线宽x 。实际上，现在可用光谱仪直接显示在显示屏上，并可自动打印出光 谱曲线，并一次计算出冲和x 。 2 2 3色度学参数 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章理论综述 主要包括：色品坐标x ，y ，z ，主波长 d ，色温等。 在测得l e d 的光谱能量特性p ( x ) 后，就可以经过运算获得l e d 的颜色三 刺激值和色度坐标。l e d 的颜色三刺激值的计算式为： 爿= 足e p ( 丑) 训加世互7 8 0p ( 五) 训五( 2 - 8 ) r = k e p ( 旯) _ ( a ) 址世黑p ( ) 确五( 2 - - 9 ) z = k 嚣p ( 五) 荆加k 磊7 8 0 。p ( 兄) - ( 五) z ( 2 1 0 ) 其中，一x , y , z 分别是c i e l 9 3 1 一x y z 标准色度观测者光谱三刺激值，如图2 - - 1 0 所 培 靛 罂 删 糟 波长n m 图2 - 1 0c i e l 9 3 1 一x r z 标准色度观测者光谱三刺激值 示。对于光源来说，y 表示亮度；k 是调整系数： ， 1 0 01 0 0 b 百而。耍7 9 0 而 得到x ，y ，z 三刺激值后，可以进而计算出色品坐标 x + y + z 。1 3 图2 - 1 1c i e l 9 3 1 一) ( y z 色品图 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 浙江人学硕十学位论文第二章 理论综述 y x + y + z z x 十y + z ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 各种颜色的色品坐标构成了c i e l 9 3 1 一x y z 色品图。图中，从7 8 0 t l r n 沿边缘线到 3 8 0n l t l 为单色光颜色的色品坐标，w 。( 0 3 3 3 3 ，0 , 3 3 3 3 ) 为等能白 p ( ) = 1 】 的色品坐标。若l e d 的色品坐标为s ，( x 1 ，y 1 ) 。连接w 。，s ，交边缘线于九d 。 d 即为该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。 根据1 9 3 1 c i e - - x y z 色品图还能计算出颜色的色纯度，对物体的颜色，计算 色纯度时一般采用标准c 光源或d 。；标准作为参照照明体，用参照光源色度点( 】【0 ， y o ) 到l e d 色度点( x 。，y 1 ) 的距离与参照光源色度点( 】( 。，y 0 ) 到 d ( x d ，y d ) 之间的距离之比表示该l e d 颜色的纯度r ： e = 生玉或= 丛生 x d x oy d y o 一1 4 _ ( 2 1 5 ) 第三章总体设计方案 3 1系统的总体结构设计 本课题的研究目的是在设计一种可用于l e d 光学参数测量的可行的方案，并 在此基础上进行对l e d 的光电参数进行更深一层的探讨。在这一总体思想指导 下，将测试仪器规划为如图3 1 所示的结构简图。它主要有可调恒流源，l e d 光 源，光学系统，探测系统，单色仪控制系统，采样系统及p c 机主控系统等。 ( 1 ) 可调恒流源提供光源测试所需的恒定工作电流。 ( 2 ) 光源提供测试对象，l e d 光源的工作电流一般为十到几十m a 。 ( 3 ) 光学系统对光源发出的光进行会聚和准直后，由单色仪进行色散， 只要控制单色仪装置的光栅的转动就可以按波长得到不同的准单色光，可由 探测器拾取这些光信号并进一步进行分析。 ( 4 ) 光电探测系统把探测器测得的微弱的光信号转变为电信号，并进行适 当的放大处理。 ( 5 ) 单色仪控制系统以一定的驱动精度驱动单色仪中的步进电机平稳地运 转，从而带动光栅以预定的方式合理地转动，为了方便操作，要求有速度可 控，位置可确定等特点。 ( 6 ) 采样系统包含多路模拟开关，采样保持器，a d 转换器等，它们协同 完成对探测系统处理后的信号，依次进行模数转换以利于后续的计算机系统 的处理。 ( 7 ) p c 机系统接收用户操作指令，显示测试结果。包括对信号进行采样， 步进电机的工作方式设定，数据通信和处理，并以曲线或表格方式给出统计 结果，打印测试报告。 如图3 1 ( a ) 所示，光源发出的光经会聚透镜1 进入单色仪，出射的单色光 经会聚透镜2 和分束镜后，分成两束光，分别照射到两个探测器的受光面上，为 了叙述方便，这里分别把探测器0 ，探测器1 所在的光路命名为0 光路和1 光路， 。1 5 浙江大学硕士学位论文 第三章总体设计方案 这两路探测器的输出在经过适当的信号放大后，将对应进入a d 转换器的0 通道 和1 通道。 如图3 1 ( b ) 所示，a d 转换器把探测器输出并放大后的模拟信号转换为数 ( a )光路系统简图 探测器1 ( b )电路系统简图 单色仪光栅 图3 1测试系统总体结构简图 字量输出，再由单片机( 这里采用的是8 0 3 1 系列的a t 8 9 c 5 1 ) 对来自两通道的这 1 6 浙江人学硕士学位论文第三章总体设计方案 些数字信号量进行采集和简单处理，并通过r s 2 3 2 硬件协议与p c 进行数据，指令， 以及状态信息的传递与交流。单片机可以依据p c 机给出的要求进行步进电机的位 置确定及驱动，这包括步进电机驱动脉冲的分配，转速的控制。p c 机综合分析所 采集到数据后，经过合理的算法处理，最终汇总成测试结果，以数据曲线或数据 表格的形式显示出来，并根据需要提供打印功能。 3 2光学系统设计 由前一章的讨论可知，在l e d 光源的光参数测试中，一个重要的参数是它的 光谱能量分布p ( ) ，在测得该参数基础上，可以进一步知道光源的峰值波长， 半宽度，主波长，色品坐标等。所以测试这一参数具有关键性的意义。在测试之 前还有一点必须要注意，那就是我们在进行光度测量时，由于光电探测器的光谱 响应与人眼的光谱响应不同，要用它来代替人眼进行客观的光度测量，必须对光 电探测器的光谱灵敏度s ( ) 进行校正，使之符合人眼的光谱光视效率v ( ) 。 从这罩的说明可以知道，必须在精确测定出光电器件的光谱灵敏度曲线后，才能 通过采用软件修正或合适的滤光片匹配，使该光电探测器在修正后达到特定的光 谱响应曲线。因此，本课题中还必须考虑到光电探测器的光谱响应的测量，同时 也考虑到充分利用同一装置，还可以进行滤光片的光谱透过率的测量，最后才是 光源的光谱能量分布的测量。 3 2 1单色仪系统 单色仪能够用棱镜或光栅将一束辐射能色散为它的波长组成部分，图3 - - 2 给出 幽3 2 光栅单色仪原理框图 了一种光栅单色仪的原理框图。此光栅单色 m i 仪采用水平对称式c z e r n y - t u r n e r 型光路，采 用平面光栅作为色散元件，光源发出的复合 光经过入射狭缝s 1 ，投射到准直镜m 1 上， m 2 m 1 的反射光经光栅g 色散后，通过m 2 ，m 3 成像在出射狭缝s 2 处。当光栅g 按顺时针方 向( 或者逆时针方向) 旋转时，可以在狭缝 1 7 ， 浙江大学硕士学位论文第三章总体设计方案 s 2 处得到纯度高的不同波长的单色光，不同的光栅转角选定了不同的测量波长九 。这样单色仪就起到了将入射的复合光分解为一系列独立的单色光的作用。此外， 一些常见的单色仪还带有机械读数器，可以显示单色分析仪的出射光束的波长值。 但在测量时，为了使单色仪能够通过适当的能量，这时需要有一定的缝宽，实 际上，在出射狭缝处得到的是测量波长 。附近的一个有限的波长范围。图3 3 中表示了有限缝宽的单色仪的相 1s ( l ，一些毒 1 i j l m 一 s 。 x 。+ s ： 图3 3 单色仪的狭缝透射因子 对光谱透射因子t 。( ) ，图中假 定入缝和出缝的宽度相等，使得衍 射作用可以被忽略。图中说明了当 辐射能的波长在测量波长 。时， 产生峰值透射比，虽然其它波长也 被透射，但相对透过能量较低，而 波长超过九。4 - a 九。的则完全被阻 挡。缝宽较小，衍射起主要作用时，狭缝光谱透射因子一。( ) 为： 水，= ( 等 2 c s 刊 式中，= ( 刳s ；n j ，q 是单色仪的缝宽，占是波长为x 的光线与波长为x 。的 光线之问的夹角。 光线通过单色仪后，对于每一测量波长 。的光输出，在探测器上输出的响应 为：( 九) = d ，：( 五) 。( a ) s ( 五) 以。( a ) d 旯 ( 3 2 式中，s ( ) 是探测器的相对光谱响应灵敏度，巾x 。( 九) 是探测器受光面上的 入射光的光能量，一。( ) 是狭缝的相对光谱透射因子，t 。( ) 是仪器吸收和 其它作用的相对光谱透射比，d p 是探测器的峰值光谱灵敏度。对于连续光源，可 以近似认为所有因子在 厶一五，厶+ 如】区间内近似不变，则上式可进一步化 简为：( 厶) = d p ( 九) ( 九) s ( 九) 办。( 以) 如 ( 3 3 ) 1 8 浙江大学硕士学位论文第三章总体设计方案 对于同一单色仪系统与探测器组成的系统来说，可令r ) = 如吩( 九) l ( ) ，从 而上式成为：，( 厶) = f ( 九) s ( 九) 办。( 九) 五 ( 3 4 ) 当然如果要把该式应用于图3 - - 1 所示的光路系统中，t ( 。) 还应该包括两个 会聚透镜和分束镜的透过率。 3 2 2探测器及其选取 硅光电探测器具有体积小、重量轻、效率高、工作安全可靠、使用简单等优 点，已经成为光学仪器的重要组成部分。探测器用于将辐射信号转换为电信号， 是各种应用中实现光电转换的关键器件，其性能的优劣直接影响到整个探测器的 质量，也就是说探测器的选型具有