LED光谱测量的操作技术解析

引言

今年是发光二极管（LED）诞生40周年，但只有到5年前白光LED开发成功后，对LED进行光谱测量才提上日程。迄今，白光LED的法向发光强度已达10cd以上，光效已超过25lm/W。由于它具有10万小时的寿命，微秒级的响应时间，光效已超过白炽灯；并且体积小，结构牢固。所以继卤钨灯、荧光灯之后，它成为第三代照明光源的趋势已成为必然。目前白光LED的制造途径主要有三种：

（1）利用InGaN/GaN兰光芯片，结合激发光为黄光的荧光物质YAG复合成白光；

（2）利用红、绿、兰三基色通过各自比例的调整，复合成白光；

（3）在ZnSe单晶基板上形成ZnCdSe薄膜，通电后薄膜发兰光，它与基板产生连锁反应发出黄光，复合成白光。

故各种白光LED离开等能白的色品坐标，即WE（0.3333，0.3333）的差距各不相同，从而对应的色温、色纯度和显色指数等参数也各不相同，所以对它进行光谱量测量的重要性不言而喻。

准确测试LED各类光电参数对改善LED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CCD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LED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。对单色LED主要测定其峰值波长和半宽度（FWHM），对白色LED主要测定其相对功率分布，从而推导出其色品坐标，主波长、色温、色纯度和显色指数等参数，所以是光谱量测量的重点对象。

单色仪使用中的一般技术

（１）光栅的准确对焦：目的是使被测光源的光达到光栅时能充满光栅，以便减小光通过单色仪后的衰减率。光斑太小使出射光的信号减小，光斑尺寸超过光栅又会使这部分光变成杂散光而降低测量精度。所以入射光的配置必须符合所用单色仪的f/D数，使得与LED匹配的透镜能使被测光正好临界地充满光栅。

（２）狭缝尺寸的设置：一般使出、入射狭缝等宽度，这时所得信号形状为等腰三角形，否则将变成梯形甚至更复杂的形状。狭缝的宽窄应根据被测光的强弱同步调节。狭缝的高度也要相应限制，这只能靠在出、入射狭缝前后放置各种宽度的平行光阑达到，因为单色仪一般并没有调节狭缝高低的功能。狭缝尺寸过大会降低光谱量的纯度，当仪器的最小实际带宽不大于设置带宽的1.2倍时，将得到最小的光谱带宽。

（３）波长鼓的使用：首先，由于气温变化造成波长尺的热胀冷缩，必须在紫外，可见和红外波段定期予以校正，校正时常用发射波长的低压汞灯、氘灯，见表1和表2所示。

表1 可采用的低压汞灯的发射波长 nm

之所以在表中列出紫外和红外波长是考虑到LED在军用夜视仪和电器遥控器中的应用。其次，变换波长时必须由大到小或由小到大顺序进行，不可来回反复，否则会造成波长示值不准确。

单色仪使用中易被忽略的问题

（1）狭缝散射函数：单色仪从本质上讲，是波长连续可变的滤波器。根据滤波理论，一个滤波器的输出信号是输入信号和滤波器传递函数两者的卷积。故滤波器输出端的信号，一定要去除卷积，即解出卷积方程，才能得到真实信号。因为单色仪的仪器函数不是一个δ函数，单色仪出射的量不会具有100%的纯度。所以用单色仪测量一个光谱量，若不经过狭缝函数的修正，必然会使光谱形状发生畸变，俗称仪器加宽，具体说就是谱线加宽和分辩率降低。为了简化狭缝散射函数的确定，一般情况下应把单色仪的入、出射狭缝设置成等宽度，因这时得到的狭缝函数形式上最简单。

（2）光谱分辩率：如上所说，经过单色仪分光后的值是单色仪的带宽和LED实际发出光谱的卷积。倘若LED的光谱带宽大于单色仪的光谱分辩率，则被测光谱不会因带宽引起变化。相反地，一个窄带的单色LED在通过低光谱分辩率的单色仪时光谱会引发变化。表3显示了一个半宽度（FWHM）约20nm的红色LED通过设置成不同带宽的单色仪时其光谱分辩率对测量结果的影响。

表3 不同单色仪狭缝对一支红色LED测量的影响

由表可见，随着狭缝的增大，其输出波形的带宽增加，主导波长和质心波长顺序减小，而输出波形的半宽度顺序增加。所以狭缝的增加会使被测光的单色性变差。由表3还可知，在测量精度范围内当质心波长几乎不变的同时峰值波长的半宽度（FWHM）却有显著的增加，结果导致主导波长漂移近1nm。一个数学模型以较高的仿真度显示了LED的光谱宽度与色品坐标及主导波长间的关系。

（3）光学动态范围：它的大小取决于单色仪光学器件和配套电子仪器的质量好坏。大的动态范围有助于提高测量精度以及色品三刺激值的纯度，表4表示了一支红光LED在各种动态范围下色度测量值的变化。

表4 一支红色LED动态范围变化时的测试结果

动态范围x色坐标y色坐标主导波长（nm）刺激值纯度

10E20.6750.282648.187%

10E2.50.7010.286637.096%

10E3.50.7140.287634.3100%

由表可见，随着动态范围的减小，色品刺激值的纯度也显著减小，主导波长也向长波方向漂移，并且色品坐标也减小了。所以对LED进行色度测量时，颜色饱和度是否达到100%是测量精度的一个重要判据。动态范围的减小与引入测量噪声的大小成正比。此外单色仪与CCD阵列器件的光谱仪相比，由于后者的动态范围小，致使测量所得的光谱波峰削减13%之多。

（4）杂散光：在进行光谱测量时，杂散光是影响测量精度的主要原因，即使采取了许多措施，也只能减少杂散光而不能完全排除它，尤其是在可见光谱的短波段，这种影响更加显著。因为在兰光区白光LED的光通量只占10%。再者，由于所测信号和杂散光混在一起构成测量信号，所以在400nm波长点，0.5%的杂散光就会引起5%的定标误差，对白光LED而言，由于其发光光谱与普朗克发射体的偏差较大，所以更容易产生大的测量误差，因为测量的计算程序通常只能根据普朗克黑体或灰体为基础编制。所以兰色LED相对窄的波峰相对于荧光物质宽的发射光谱应设计一个合适的权重，以提高色度坐标测量的正确性。表5列出了一支白光LED的测量结果。

这些值是在一个传统的单色仪和两个多通道快速测量光谱仪上做的，后者的光学动态范围较小。由表可见，由于前者的杂散光屏蔽设置较好，所以，测量结果的准确性较高，其误差程度在0.3%至2%之间；基于色品坐标的构成特点，y色坐标比x色坐标的误差要大1倍。由此还可看出，单就杂散光影响而言，当今商品化的多通道快速测量仪的仪器级别比C级还要低1倍以上。

结束语

白光LED合成的空间辐射的光谱测量必须考虑到多重因素的影响，不准确的分光测量不但会导致峰值波长及其半宽度的测量误差，还会导致大的色度测量误差。所以要求光谱测量仪器的光谱分辩率应小于0.5nm，其对杂散光的屏蔽水平应小于测量信号值的3个量级。