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λP572 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