發(fā)光二極管光譜參數(shù)測(cè)試方法的研究
1 引言
LED(發(fā)光二極管)由于其光強(qiáng)高、功耗低、壽命長、可靠性高、易驅(qū)動(dòng)、易與IC相銜接等特點(diǎn),已被廣泛用于交通、商業(yè)廣告和儀器儀表顯示中。而LED的顏色是影響各種顯示效果的一種關(guān)鍵因素,決定LED顏色的則是它的波長特性,由于LED的相對(duì)光譜功率分布是一種窄帶的準(zhǔn)單色光光譜,因此,測(cè)量LED的波長就尤為重要。
2 測(cè)量原理
LED在可見光區(qū)域內(nèi)發(fā)光的相對(duì)光譜功率分布為 ,如圖1所示為一綠色LED的 曲線,最大值所對(duì)應(yīng)的波長λP稱為它的峰值波長。它的顏色可用色坐標(biāo)(x,y)來表示,按CIE規(guī)定[1],LED的三刺激值X,Y,Z為：
X=k 圖1 LED的相對(duì)光譜功率分布
Y=k (1) Fig.1 RELative spectrum energy distribution of LED
Z=k
這里, (λ)、 (λ)、 (λ)為1931CIE-XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值, k稱為調(diào)整系數(shù)：
k= (2)
把LED的Y值調(diào)整為100。
得到X、Y、Z三刺激值后可求得它的色品坐標(biāo)：
x=
y= (3)
各種顏色的色品坐標(biāo)構(gòu)成了1931CIE-XYZ色品圖,如圖
2所示,從780nm沿邊緣線到380 nm為單色光顏色的色品
坐標(biāo)。WE(0.3333,0.3333)為等能白( =1)的色品坐
標(biāo)。對(duì)某一LED,若它的色品坐標(biāo)為S1(x1,y1),連接WES1交邊緣線于λd,λd即為該LED 的主波長,它反映了人眼觀察LED顯示的目視感覺[2]。
LED的質(zhì)心波長λm為： 圖2 1931 CIE-XYZ 色品圖
λm= (4) Fig.2 1931 CIE-XYZ color diagram
即只要測(cè)得 ,就可獲得λP,λd,和λm。
3 測(cè)量裝置
3.1 λP的測(cè)量
我們建立了如圖3(a)所示的LED相對(duì)光譜功率分布測(cè)試裝置, LED放在一個(gè)直徑180mm的積分球內(nèi),圖3(b)為驅(qū)動(dòng)LED的恒流源,電流在1～100mA可調(diào),也可設(shè)置為方波恒流源,電流在1～1000mA可調(diào),頻率1KHz,占空比1/8,圖中恒流管4DH7、達(dá)林頓管TIP41C、電阻R2、可調(diào)電阻RL2構(gòu)成恒流源,IC555、4017、電阻R1、可調(diào)電阻RL1構(gòu)成方波驅(qū)動(dòng)電路。LED發(fā)的光通過光纜傳到凹面光柵多色儀的入射狹縫上,經(jīng)凹面光柵衍射成象在線陣CCD的感光面上,線陣CCD上的各個(gè)象元對(duì)應(yīng)LED各個(gè)波長的能量特征,經(jīng)CCD采樣、放大和A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)[3][4],處理后即可獲得 。
(a) (b)
圖3 LED相對(duì)光譜功率分布測(cè)試裝置
Fig.3 Testing setup of Relative spectrum energy distribution of LED
3.1.1波長的標(biāo)定
先將低壓Hg燈、He-Ne激光器及已知波長的半導(dǎo)體激光器的光引入積分球內(nèi),計(jì)算機(jī)找到對(duì)應(yīng)于Hg燈、He-Ne激光器及半導(dǎo)體激光器譜線：407.7nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579nm、632.8nm、655nm的CCD象元位置,由插值可獲得380nm～780nm內(nèi)各波長所對(duì)應(yīng)的CCD象元位置,這就完成了波長的標(biāo)定。計(jì)算機(jī)所采集到的各波長的信號(hào) 與 的關(guān)系為：
= (5)
這里, 是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光譜透射率, 是CCD的光譜響應(yīng)靈敏度, 是比例系數(shù)。
3.1.2能量的標(biāo)定
將標(biāo)準(zhǔn)A光源的光引入積分球內(nèi),其標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)光譜功率 所對(duì)應(yīng)的信號(hào) 為：
= (6)
式(5)除于式(6),有：
= / (7)
即可獲得被測(cè)LED的 ,計(jì)算機(jī)找出最大 所對(duì)應(yīng)的λ,即為它的峰值波長λP。
3.2 λP的測(cè)定
由圖2可知,1931CIE-XYZ色品圖邊緣線上每個(gè)波長的色品坐標(biāo)與等能白WE(0.3333,0.3333)間都存在一個(gè)斜率ki,計(jì)算被測(cè)LED的色品坐標(biāo)與等能白WE的斜率kd,找出與其最接近的ki所對(duì)應(yīng)的波長即為主波長λd。
3.3 λm的測(cè)量
由測(cè)得 和式(4)計(jì)算,即可獲得λm。
為便于測(cè)量,我們建立了如圖4所示的λm測(cè)量裝置,LED發(fā)出的光經(jīng)積分球多次漫反射勻光后,被兩個(gè)Si-PIN探測(cè)器D1、D2檢測(cè),其中D1加濾光片校正,使它在可見區(qū)內(nèi)的相對(duì)光譜靈敏度 =1,經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后,信號(hào)為 = ,即 圖4 LEDλm測(cè)量裝置框圖
= (8) Fig.4 Block diagram of measuring λm of LED
D2直接檢測(cè)光信號(hào),由于高性能Si-PIN探測(cè)器的量子效率在可見區(qū)內(nèi)近似為常數(shù),其相對(duì)光譜靈敏度[5] ≈ ,檢測(cè)到的信號(hào)為 = ,即
≈ (9)
綜合(4)、(8)、(9)式,得
λm≈ / (10)
這里 、 、 、 為比例系數(shù)。 可由已知波長的激光器方便地定得。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
我們將圖3的測(cè)量裝置對(duì)一些光譜燈和激光器的峰值波長進(jìn)行了實(shí)測(cè),結(jié)果如表1所示,誤差小于1nm?？梢娝軇偃蜭ED的波長測(cè)試。
表2顯示了圖3測(cè)量裝置測(cè)得的各種LED的λP、λd、λm和圖4測(cè)量裝置測(cè)得的LED的質(zhì)心波長 λm1,可見λm1比λm更接近λd。對(duì)于LED,其發(fā)光為準(zhǔn)單色光, 近于高斯分布,計(jì)算表明[5],當(dāng)λP<572 nm時(shí),λd>λp,當(dāng)λP> 572 nm時(shí),λd>λp,由表2可見, λd和λp的關(guān)系與其相符。
表1 峰值波長λp的測(cè)試結(jié)果
Table 1 Testing results of peak wavelength λp
Standard λs(nm) 407.8 435.6 532.0 546.1 579.0 589.6 632.8 669.4
Test λp(nm) 407 435 532 546 579 590 633 670
對(duì)于實(shí)際顯示而言,影響顏色的應(yīng)為λd。 表2中, λm和λd存在一定的關(guān)系,將λm和λd的關(guān)系按目前常見顯示用LED(455～660nm)分波段列出, 示于表3,可見λm1比λm更接近λd, 這是由于Si-PIN探測(cè)器的量子效率在藍(lán)端和紅端有所下降,測(cè)出的質(zhì)心波長在藍(lán)端移向長波, 在紅端移向短波。因此,可簡單地由質(zhì)心波長來估算λd。即對(duì)測(cè)出的λm1,加對(duì)應(yīng)的修正量,就可獲得λd,誤差小于3nm。
表2 各種LED的λP、λd、λm(λm1)值
Table 2 λP、λd、λm(λm1)of some LEDs
LED No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
λp(nm) 429 466 470 480 497 506 518 522 530 567 588 595
λd(nm) 462 471 472 484 498 508 522 528 538 571 586 592
λm(nm) 439 467 471 485 501 510 522 525 533 571 587 595
λm1(nm) 447 469 472 485 501 510 523 526 535 572 587 594
LED No. 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
λp(nm) 596 600 601 621 626 629 635 638 654 657 659 703
λd(nm) 593 695 596 614 619 621 625 629 641 644 645 653
λm(nm) 596 598 599 621 626 629 635 637 654 657 659 705
λm1(nm) 595 597 598 618 623 625 629 632 649 650 651 676
表3 各種LEDλd和λm(λm1)值的關(guān)系
Table 3 The relation between λd and λm(λm1)of some LEDs
λd(nm) 450～475 475～520 520～550 550～605 605～630 630～660
(λm-λd)(nm) -1～-4 1～4 -3～-5 0～3 7～8 10～14
(λm1-λd)(nm) -2～0 1～3 -2～-3 1～2 4 4～6
5 結(jié)論
LED的發(fā)光光譜為準(zhǔn)單色光分布(除白色LED外),影響其發(fā)光顏色的主要因素有：峰值波長、帶寬、主波長和質(zhì)心波長,而主波長λd描述了人眼對(duì)LED發(fā)光的目視感覺,用分光光度法測(cè)量LED的相對(duì)光譜功率分布來獲得λd,精度達(dá)1nm,但需要較復(fù)雜的分光系統(tǒng)和CCD采樣系統(tǒng)。而測(cè)量質(zhì)心波長λm來估算LED主波長λd,其誤差小于3nm,方便簡捷地適用于LED顏色的快速檢測(cè)和區(qū)別。
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