LED光强分布测试仪的开发设计

1、LED光强分布测试仪的开发设计    【摘要】    第一章 前言 目前，国际上普遍认为，光电子技术是21世纪的尖端科技。如果将21世纪具有代表意义的主导产业        第一章 前言 目前，国际上普遍认为，光电子技术是21世纪的尖端科技。如果将21世纪具有代表意义的主导产业排序：第一是光电子产业；第二是信息通信产业；第三是健康和福利产业。而LED正是光电子产业中最重要的光电子材料和组件，是整个光电产业的基础。 在目前最活跃的光电子产

2、业中，光通信向超大容量、高速度和全光网方向发展，超大容量的全光网络将成为主要的发展趋势；光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展；光存储将更多地采用新技术和新材料，并开发出新一代的高密度、高速光存储技术和系统；光输出和和输入产品向多功能、高速化、低成本方向发展；光器件的发展趋势是小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化；激光技术与其他学科的融合及应用领域不断扩大。光子集成器件产业、聚合物光纤光缆产业、聚合物光电器件产业和光子传感器产业等，无不是以LED为代表的光电子材料和组件为基础的。 因而，LED在大学的发光显示及光通信、光信息处理等方面实验中有着极为广泛的应用。LED的发

3、光强度是表征LED质量的重要参数之一。然而现市场上的LED光强分布测试仪虽然灵敏度比较高，但是过于傻瓜化，而且价格很高，不适合大学实验室中学生使用。 现研制一个适合实验室使用的，便于学生能深入了解测试原理的LED光强分布测试仪。 发光强度：在流过发光二极管的正向电流及环境条件一定（普通环境影响甚小）的情况下，单位立体角内LED发射出的光通量称为LED的发光强度。1 第二章 LED光强分布测试仪的研制 2.1 原理 2.1.1 LED工作原理与基本特性10 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，

4、注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 1、电特性 LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。由图1可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。

5、通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。 图1：LED伏安特性曲线 2、光特性 类似于其它光源，LED光特性的测试主要包括光通量和发光效率、辐射通量和辐射效率、光强和光强分布特性和光谱参数等。 有两种方法可以用于光通量的测试，积分球法和变角光度计法。变角光度计法是测试光通量的最精确的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量。在测得光通量之后，配合电参数测试仪可以测得LED的发光效率。而辐射通量和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试。 LED的光谱特性参数主要包括峰值发射波长、光谱辐射带宽和

6、光谱功率分布等。单色LED的光谱为单一波峰，特性以峰值波长和带宽表示，而白光LED的光谱由多种单色光谱合成。所有LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示，而由LED的光谱功率分布还可计算得到色度参数。 3、开关特性 LED开关特性是指LED通电和断电瞬间的光、电、色变化特性。通过LED开关特性的测试可以获得LED在通断电瞬间工作状态、物质属性等的变化规律，由此不仅可了解通断电对LED的损耗，也可用以指导LED驱动模块的设计等。 4、颜色特性     第一章 前言 目前，国际上普遍认为，光电子技术是21世纪的尖端科技。如果将21世纪具有代表意义的主导产业&#

7、160;       LED的颜色特性主要包括色品坐标、主波长、色纯度、色温及显色性等，LED的颜色特性对白光LED尤为重要。 5、热学特性 LED的热学特性主要指热阻和结温。热阻是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比。结温是指LED的PN结温度。LED的热阻和结温是影响LED光电性能的重要因素。 6、可靠性 LED的可靠性包括静电敏感度特性、寿命、环境特性等。 静电敏感度特性是指LED能承受的静电放电电压。某些LED由于电阻率较高，且正负电极距离很短，若两端的静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会击穿PN结，严重时

8、可将PN结击穿导致LED失效，因此必须对LED的静电敏感度特性进行测试，获得LED的静电放电故障临界电压。目前一般采用人体模式、机器模式、器件充电模式来模拟现实生活中的静电放电现象。 2.1.2光敏三极管工作原理与基本特性3 光敏三极管有PNP型和NPN型两种型号。光敏三极管的结构和一般三极管一样，有两个PN结。只是它的发射极一边做得很大，以扩大光照面积，其基极一般不接线，故只有两个引脚。 当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电极的基区时，会产生电子-空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极之间的电压升高，这样使有大量的电子流向集电极，形成输

9、出电流，且集电极电流为光电流的 倍。 1、光谱特性 光敏管的光谱特性是指在照度一定时，输出的光电流与光波的波长的关系。不同的材料的光谱响应峰值不同。 2、伏安特性 光敏管的伏安特性与一般晶体管类似，其不同点是，它的基极电流就是光电流。此外，三极管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。 3、光照特性 光照特性给出了光敏管的光电流和照度之间的关系。它们之间呈现近似线性关系。但是当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象。 4、频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。光敏三极管的频率特性还受负载大小的影响，减少负载电阻可以提高频

10、率响应。 5、温度特性 光敏管的温度特性反映的是光敏管的暗电流及亮电流与温度的关系。从特性关系可以看出，温度变化对亮电流的影响较小，而对暗电流的影响很大，所以，电子线路中应该对暗电流进行温度补偿。 2.2 电路图的设计 2.2.1电路图 图2 2.2.2设计思路 LED的发光强度随着通过LED的正向电流的增大而增大。在不同的正向电流下，LED的光强也不同。因此，要测试LED光强，必须设置可调恒流电路。如图2所示，利用三端稳压器件7805输出电压恒为5V的原理，然后经过C1、C2两个一大一小电容的滤波作用后，再经可调电阻调整恒定后，流过LED的电流便实现了可调恒流，从而在规定的正向电流下（10m

11、A）进行光强测试。 在实际实验中，光敏三极管感应到并转换为的电信号非常微弱，常常只有几十微安的电流，而且由三极管的特性可知，加在其两端的额定电压也不用5V这么高，故为了得到明显的变化信号，需要设计一个线性放大电路。 因而，利用集成模块UA741的电压放大作用，外接一个负反馈电路，由模拟电路的虚短虚断原理，计算出UA741的放大倍数为A=Rf/Ri，调节Rf与Ri之间的比列关系即可调节放大倍数。 最后，由UA741的第六个引脚输出放大的电压信号，由数字电压表显示出来（显示范围为02V）。传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数的过程中不可避免地会引入人为的测量误差(例如视差)，并且

12、容易造成视觉疲劳。数字电压显示器采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的，不仅保证了读数的客观性和准确性，还符合人们的读书习惯，能缩短读数和记录的时间。2     第一章 前言 目前，国际上普遍认为，光电子技术是21世纪的尖端科技。如果将21世纪具有代表意义的主导产业        2.3 测试 2.3.1 实验数据 表1 红光LED光强分布 右移（°） 放大电压（V） 左移（°） 放大电压（V） 平均放大电压（V

13、） 0 1.675 0 1.675 1.6750 10 1.078 -10 1.113 1.0955 20 0.654 -20 0.669 0.6615 30 0.478 -30 0.473 0.4755 40 0.418 -40 0.381 0.3995 50 0.396 -50 0.326 0.3610 60 0.350 -60 0.253 0.3015 70 0.280 -70 0.191 0.2355 80 0.212 -80 0.134 0.1730 90 0.120 -90 0.089 0.1045 表2 绿光LED光强分布 右移（°） 放大电压（V） 左移（°

14、） 放大电压（V） 平均放大电压（V） 0 0.023 0 0.023 0.0230 10 0.019 -10 0.021 0.0200 20 0.015 -20 0.017 0.0160 30 0.012 -30 0.014 0.0130 40 0.011 -40 0.012 0.0115 50 0.009 -50 0.010 0.0095 60 0.008 -60 0.009 0.0085 70 0.006 -70 0.008 0.0070 80 0.005 -80 0.007 0.0060 90 0.004 -90 0.006 0.0050 表3 白光LED光强分布 右移（°）

15、 放大电压（V） 左移（°） 放大电压（V） 平均放大电压（V） 0 1.405 0 1.405 1.4050 10 1.020 -10 0.970 0.7795 20 0.589 -20 0.467 0.3070 30 0.147 -30 0.145 0.1360 40 0.127 -40 0.133 0.1220 50 0.111 -50 0.110 0.1105 60 0.189 -60 0.215 0.2020 70 0.070 -70 0.077 0.0735 80 0.027 -80 0.029 0.0280 90 0.014 -90 0.014 0.0140 2.3.2

16、 数据分析 1、分布图 图3 在实际实验中，Ri取固定值（电阻为1K）,Rf为可变电阻。在测量红光LED与绿光LED的时候，Rf=14.1K,故放大倍数为A=14.1；在测量白光LED时Rf=4.7K,故放大倍数为A=4.7。因而在实际作图时，如图3所示，白光LED的光强分布曲线应是显示的放大电压的3倍。 又因为绿光LED的光强分布曲线在图3中显现得不太明显，故放大网格，如图4所示。 图4 2、分布特点 如图3与图4所示，在离光强最大0°50°的范围内，光强急剧减弱，而在50°90°范围内，光强减弱幅度缓慢，光强分布曲线在各个方向对称地大致以 成比例地减

17、少。 2.3.3 误差分析3 1、系统误差 每一次测量同一量时，呈现出相同的或确定性方式的那些测量误差称为系统误差。它常常由标定误差、持久发生的人为误差、不良仪器造成的误差、负载产生的误差、系统分辨率局限产生的误差等因素所产生。 2、随机误差 每次测量同一量时，其数值均不一致、但却具有零均值的那些测量误差称为随机误差。它产生的原因有：测量人员的随机因素、设备受到干扰、实验条件的波动、测量仪器灵敏度不够等。比如机械摩擦或振动可能会使指示值在其值附近波动。 3、过失误差或非法误差 意想不到而存在的误差，如实验室中因过失或错误引起的误差，实验之后的计算误差等。 当获取足够多的测量值读数时，随机误差具

18、有明显的统计分布特性。因此常常采用统计分析来估计该误差的或然率大小。与此相反，系统误差则不可以用统计方法来处理，因为系统误差是一个固定的值，它并不呈现一种分布的特征。然而，系统误差可采用将仪器同一更精确的标准加以比较，从人们对该仪器标定的知识以及人们使用该特殊类型仪器的经验中来加以估计。在实际中，系统误差和随机误差常常同时发生。因而一个特定的测量指示值的总误差是该测量的随机误差和系统误差之和。 在实际测量中,由于器件的灵敏度不高，室内光线的影响，集成运放调零的误差等，都会在一定程度上造成实验误差，但是由最后的光强分布曲线可以看出，并没有出现过失误差或非法误差以至于影响整个实验结果的得出。

19、60;    第一章 前言 目前，国际上普遍认为，光电子技术是21世纪的尖端科技。如果将21世纪具有代表意义的主导产业        第三章 结论 经过对红光、绿光、白光LED的光强分布测量，并得出三组实验数据，经过作图分析，图形曲线基本符合LED的光强分布特性，证明本论文研制中讨论的LED光强分布测试仪可用于实验室中使用。 但是，仍然存在许多不足之处。经测试,本电路的的测量精确度和稳定性有待于进一步的提高,用于遮中的外罩有待设计,线性度也有待更进一步仔细分析。由于本人对电路知识的掌握

20、不足，对元器件的认识不够深入，还有在调试电路上平时经验积累不够丰富，故在实际调试电路的时候遇到了很多的问题不能独立解决。有望以后刻苦专研，多多积累，能有质的飞跃。 致 谢 随着这篇本科毕业论文的最后落笔，我四年的大学生活也即将划上一个圆满的句号。回忆这四年生活的点点滴滴，从入学时对大学生活的无限憧憬到课堂上对各位老师学术学识的深沉沉湎，从奔波于教室图书馆的来去匆匆到业余生活的五彩缤纷，一切中的一切都是历历在目，让人倍感留恋，倍感珍惜。 四年浙江科技学院的学习生活注定将成为我人生中的一段重要旅程。四年来，我的师长、我的同学、我的朋友给予我的关心和帮助，使我终身收益，我真心地感谢他们。尤其感谢我的班主任钦小平老师和辅导员王杨老师，不仅在学习上帮助我，更在生活上启发我。 在本文的撰写过程中，阮世平老师作为我的指导老师，他治学严谨，学识渊博，视野广阔，为我营造了一种良好的学术氛围。置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，领会了基本的思考方式，掌握了很多实践的动手能力，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。在此特向阮世平老师致以衷心的谢意。 同时，感谢苏志军、包军康、袁芬燕三位同学，正因为他们的热心帮助，才有本论文的顺利完成。 谢谢各位！ 参考文献 1费翼LED光强测试仪J光