發(fā)光二極管光譜參數測試方法的研究

1 引言

LED(發(fā)光二極管)由于其光強高、功耗低、壽命長(cháng)、可靠性高、易驅動(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(cháng)特性,由于LED的相對光譜功率分布是一種窄帶的準單色光光譜,因此,測量LED的波長(cháng)就尤為重要。

2 測量原理

LED在可見(jiàn)光區域內發(fā)光的相對光譜功率分布為 ,如圖1所示為一綠色LED的 曲線(xiàn),最大值所對應的波長(cháng)λP稱(chēng)為它的峰值波長(cháng)。它的顏色可用色坐標(x,y)來(lái)表示,按CIE規定[1],LED的三刺激值X,Y,Z為：

X=k 圖1 LED的相對光譜功率分布

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

Z=k

這里, (λ)、 (λ)、 (λ)為1931CIE-XYZ標準色度觀(guān)察者光譜三刺激值, k稱(chēng)為調整系數：

k= (2)

把LED的Y值調整為100。

得到X、Y、Z三刺激值后可求得它的色品坐標：

x=

y= (3)

各種顏色的色品坐標構成了1931CIE-XYZ色品圖,如圖

2所示,從780nm沿邊緣線(xiàn)到380 nm為單色光顏色的色品

坐標。WE(0.3333,0.3333)為等能白( =1)的色品坐

標。對某一LED,若它的色品坐標為S1(x1,y1),連接WES1交邊緣線(xiàn)于λd,λd即為該LED 的主波長(cháng),它反映了人眼觀(guān)察LED顯示的目視感覺(jué)[2]。

LED的質(zhì)心波長(cháng)λm為： 圖2 1931 CIE-XYZ 色品圖

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

即只要測得 ,就可獲得λP,λd,和λm。

3 測量裝置

3.1 λP的測量

我們建立了如圖3(a)所示的LED相對光譜功率分布測試裝置, LED放在一個(gè)直徑180mm的積分球內,圖3(b)為驅動(dòng)LED的恒流源,電流在1～100mA可調,也可設置為方波恒流源,電流在1～1000mA可調,頻率1KHz,占空比1/8,圖中恒流管4DH7、達林頓管TIP41C、電阻R2、可調電阻RL2構成恒流源,IC555、4017、電阻R1、可調電阻RL1構成方波驅動(dòng)電路。LED發(fā)的光通過(guò)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(xiàn)陣CCD的感光面上,線(xiàn)陣CCD上的各個(gè)象元對應LED各個(gè)波長(cháng)的能量特征,經(jīng)CCD采樣、放大和A/D轉換后送入計算機[3][4],處理后即可獲得 。

(a) (b)

圖3 LED相對光譜功率分布測試裝置

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

3.1.1波長(cháng)的標定

先將低壓Hg燈、He-Ne激光器及已知波長(cháng)的半導體激光器的光引入積分球內,計算機找到對應于Hg燈、He-Ne激光器及半導體激光器譜線(xiàn)：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內各波長(cháng)所對應的CCD象元位置,這就完成了波長(cháng)的標定。計算機所采集到的各波長(cháng)的信號 與 的關(guān)系為：

= (5)

這里, 是整個(gè)光學(xué)系統的光譜透射率, 是CCD的光譜響應靈敏度, 是比例系數。

3.1.2能量的標定

將標準A光源的光引入積分球內,其標準相對光譜功率 所對應的信號 為：

= (6)

式(5)除于式(6),有：

= / (7)

即可獲得被測LED的 ,計算機找出最大 所對應的λ,即為它的峰值波長(cháng)λP。

3.2 λP的測定

由圖2可知,1931CIE-XYZ色品圖邊緣線(xiàn)上每個(gè)波長(cháng)的色品坐標與等能白WE(0.3333,0.3333)間都存在一個(gè)斜率ki,計算被測LED的色品坐標與等能白WE的斜率kd,找出與其最接近的ki所對應的波長(cháng)即為主波長(cháng)λd。

3.3 λm的測量

由測得 和式(4)計算,即可獲得λm。

為便于測量,我們建立了如圖4所示的λm測量裝置,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探測器D1、D2檢測,其中D1加濾光片校正,使它在可見(jiàn)區內的相對光譜靈敏度 =1,經(jīng)放大和A/D轉換后,信號為 = ,即 圖4 LEDλm測量裝置框圖

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

D2直接檢測光信號,由于高性能Si-PIN探測器的量子效率在可見(jiàn)區內近似為常數,其相對光譜靈敏度[5] ≈ ,檢測到的信號為 = ,即

≈ (9)

綜合(4)、(8)、(9)式,得

λm≈ / (10)

這里 、 、 、 為比例系數。 可由已知波長(cháng)的激光器方便地定得。

4 實(shí)驗結果及分析

我們將圖3的測量裝置對一些光譜燈和激光器的峰值波長(cháng)進(jìn)行了實(shí)測,結果如表1所示,誤差小于1nm?？梢?jiàn)它能勝任LED的波長(cháng)測試。

表2顯示了圖3測量裝置測得的各種LED的λP、λd、λm和圖4測量裝置測得的LED的質(zhì)心波長(cháng) λm1,可見(jiàn)λm1比λm更接近λd。對于LED,其發(fā)光為準單色光, 近于高斯分布,計算表明[5],當λP572 nm時(shí),λd>λp,當λP> 572 nm時(shí),λd>λp,由表2可見(jiàn), λd和λp的關(guān)系與其相符。

表1 峰值波長(cháng)λp的測試結果

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

對于實(shí)際顯示而言,影響顏色的應為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(jiàn)顯示用LED(455～660nm)分波段列出, 示于表3,可見(jiàn)λm1比λm更接近λd, 這是由于Si-PIN探測器的量子效率在藍端和紅端有所下降,測出的質(zhì)心波長(cháng)在藍端移向長(cháng)波, 在紅端移向短波。因此,可簡(jiǎn)單地由質(zhì)心波長(cháng)來(lái)估算λd。即對測出的λm1,加對應的修正量,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