发光二极管光谱参数测试方法的研究

1 引言

LED(发光二极管)由于其光强高、功耗低、寿命长、可靠性高、易驱动、易与IC相衔接等特点,已被广泛用于交通、商业广告和仪器仪表显示中。而LED的颜色是影响各种显示效果的一种关键因素,决定LED颜色的则是它的波长特性,由于LED的相对光谱功率分布是一种窄带的准单色光光谱,因此,测量LED的波长就尤为重要。

2 测量原理

LED在可见光区域内发光的相对光谱功率分布为 ,如图1所示为一绿色LED的 曲线,最大值所对应的波长λP称为它的峰值波长。它的颜色可用色坐标(x,y)来表示,按CIE规定[1],LED的三刺激值X,Y,Z为：

X=k 图1 LED的相对光谱功率分布

Y=k (1) Fig.1 RELative spectrum energy distribution of LED

Z=k

这里, (λ)、 (λ)、 (λ)为1931CIE-XYZ标准色度观察者光谱三刺激值, k称为调整系数：

k= (2)

把LED的Y值调整为100。

得到X、Y、Z三刺激值后可求得它的色品坐标：

x=

y= (3)

各种颜色的色品坐标构成了1931CIE-XYZ色品图,如图

2所示,从780nm沿边缘线到380 nm为单色光颜色的色品

坐标。WE(0.3333,0.3333)为等能白( =1)的色品坐

标。对某一LED,若它的色品坐标为S1(x1,y1),连接WES1交边缘线于λd,λd即为该LED 的主波长,它反映了人眼观察LED显示的目视感觉[2]。

LED的质心波长λm为： 图2 1931 CIE-XYZ 色品图

λm= (4) Fig.2 1931 CIE-XYZ color diagram

即只要测得 ,就可获得λP,λd,和λm。

3 测量装置

3.1 λP的测量

我们建立了如图3(a)所示的LED相对光谱功率分布测试装置, LED放在一个直径180mm的积分球内,图3(b)为驱动LED的恒流源,电流在1～100mA可调,也可设置为方波恒流源,电流在1～1000mA可调,频率1KHz,占空比1/8,图中恒流管4DH7、达林顿管TIP41C、电阻R2、可调电阻RL2构成恒流源,IC555、4017、电阻R1、可调电阻RL1构成方波驱动电路。LED发的光通过光缆传到凹面光栅多色仪的入射狭缝上,经凹面光栅衍射成象在线阵CCD的感光面上,线阵CCD上的各个象元对应LED各个波长的能量特征,经CCD采样、放大和A/D转换后送入计算机[3][4],处理后即可获得 。

(a) (b)

图3 LED相对光谱功率分布测试装置

Fig.3 Testing setup of Relative spectrum energy distribution of LED

3.1.1波长的标定

先将低压Hg灯、He-Ne激光器及已知波长的半导体激光器的光引入积分球内,计算机找到对应于Hg灯、He-Ne激光器及半导体激光器谱线：407.7nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579nm、632.8nm、655nm的CCD象元位置,由插值可获得380nm～780nm内各波长所对应的CCD象元位置,这就完成了波长的标定。计算机所采集到的各波长的信号 与 的关系为：

= (5)

这里, 是整个光学系统的光谱透射率, 是CCD的光谱响应灵敏度, 是比例系数。

3.1.2能量的标定

将标准A光源的光引入积分球内,其标准相对光谱功率 所对应的信号 为：

= (6)

式(5)除于式(6),有：

= / (7)

即可获得被测LED的 ,计算机找出最大 所对应的λ,即为它的峰值波长λP。

3.2 λP的测定

由图2可知,1931CIE-XYZ色品图边缘线上每个波长的色品坐标与等能白WE(0.3333,0.3333)间都存在一个斜率ki,计算被测LED的色品坐标与等能白WE的斜率kd,找出与其最接近的ki所对应的波长即为主波长λd。

3.3 λm的测量

由测得 和式(4)计算,即可获得λm。

为便于测量,我们建立了如图4所示的λm测量装置,LED发出的光经积分球多次漫反射匀光后,被两个Si-PIN探测器D1、D2检测,其中D1加滤光片校正,使它在可见区内的相对光谱灵敏度 =1,经放大和A/D转换后,信号为 = ,即 图4 LEDλm测量装置框图

= (8) Fig.4 Block diagram of measuring λm of LED

D2直接检测光信号,由于高性能Si-PIN探测器的量子效率在可见区内近似为常数,其相对光谱灵敏度[5] ≈ ,检测到的信号为 = ,即

≈ (9)

综合(4)、(8)、(9)式,得

λm≈ / (10)

这里 、 、 、 为比例系数。 可由已知波长的激光器方便地定得。

4 实验结果及分析

我们将图3的测量装置对一些光谱灯和激光器的峰值波长进行了实测,结果如表1所示,误差小于1nm。可见它能胜任LED的波长测试。

表2显示了图3测量装置测得的各种LED的λP、λd、λm和图4测量装置测得的LED的质心波长 λm1,可见λm1比λm更接近λd。对于LED,其发光为准单色光, 近于高斯分布,计算表明[5],当λP<572 nm时,λd>λp,当λP> 572 nm时,λd>λp,由表2可见, λd和λp的关系与其相符。

表1 峰值波长λp的测试结果

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

对于实际显示而言,影响颜色的应为λd。 表2中, λm和λd存在一定的关系,将λm和λd的关系按目前常见显示用LED(455～660nm)分波段列出, 示于表3,可见λm1比λm更接近λd, 这是由于Si-PIN探测器的量子效率在蓝端和红端有所下降,测出的质心波长在蓝端移向长波, 在红端移向短波。因此,可简单地由质心波长来估算λd。即对测出的λm1,加对应的修正量,就可获得λd,误差小于3nm。

表2 各种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 各种LEDλd和λm(λm1)值的关系

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 结论

LED的发光光谱为准单色光分布(除白色LED外),影响其发光颜色的主要因素有：峰值波长、带宽、主波长和质心波长,而主波长λd描述了人眼对LED发光的目视感觉,用分光光度法测量LED的相对光谱功率分布来获得λd,精度达1nm,但需要较复杂的分光系统和CCD采样系统。而测量质心波长λm来估算LED主波长λd,其误差小于3nm,方便简捷地适用于LED颜色的快速检测和区别。

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