LED光譜量測量中的若干問(wèn)題初探

　?。ǎ保├肐nGaN/GaN蘭光芯片，結合激發(fā)光為黃光的熒光物質(zhì)YAG復合成白光；

　?。ǎ玻├眉t、綠、蘭三基色通過(guò)各自比例的調整，復合成白光；

　?。ǎ常┰赯nSe單晶基板上形成ZnCdSe薄膜，通電后薄膜發(fā)蘭光，它與基板產(chǎn)生連鎖反應發(fā)出黃光，復合成白光。
　　故各種白光LED離開(kāi)等能白的色品坐標，即WE（0.3333，0.3333）的差距各不相同，從而對應的色溫、色純度和顯色指數等參數也各不相同，所以對它進(jìn)行光譜量測量的重要性不言而喻。
　　準確測試LED各類(lèi)光電參數對改善LED的性能作用頗大，其中光譜量的測試基本上有三種方法，一是把測量光用若干塊不同波長(cháng)的帶通濾光片過(guò)濾后到達光探測器，光探測器一般用光電倍增管和硅光電二極管。二是把測量光經(jīng)衍射光柵分光后到達線(xiàn)陣CCD電荷耦合器件。三是用單色儀分光后進(jìn)行測量。前面兩種方法主要用于便攜式光譜測試儀對LED進(jìn)行多參數一次性快速測量，用同一結構配置的硬件測量多個(gè)參數必然降低測量精度，后一種方法計量部門(mén)運用較多，能得到高精度的測量值，但測量時(shí)間較長(cháng)。對單色LED主要測定其峰值波長(cháng)和半寬度（FWHM），對白色LED主要測定其相對功率分布，從而推導出其色品坐標，主波長(cháng)、色溫、色純度和顯色指數等參數，所以是光譜量測量的重點(diǎn)對象。

２單色儀使用中的一般技術(shù)

　?。ǎ保┕鈻诺臏蚀_對焦：目的是使被測光源的光達到光柵時(shí)能充滿(mǎn)光柵，以便減小光通過(guò)單色儀后的衰減率。光斑太小使出射光的信號減小，光斑尺寸超過(guò)光柵又會(huì )使這部分光變成雜散光而降低測量精度。所以入射光的配置必須符合所用單色儀的f/D數，使得與LED匹配的透鏡能使被測光正好臨界地充滿(mǎn)光柵。

　?。ǎ玻┆M縫尺寸的設置：一般使出、入射狹縫等寬度，這時(shí)所得信號形狀為等腰三角形，否則將變成梯形甚至更復雜的形狀。狹縫的寬窄應根據被測光的強弱同步調節。狹縫的高度也要相應限制，這只能靠在出、入射狹縫前后放置各種寬度的平行光闌達到，因為單色儀一般并沒(méi)有調節狹縫高低的功能。狹縫尺寸過(guò)大會(huì )降低光譜量的純度，當儀器的最小實(shí)際帶寬不大于設置帶寬的1.2倍時(shí)，將得到最小的光譜帶寬。

　?。ǎ常┎ㄩL(cháng)鼓的使用：首先，由于氣溫變化造成波長(cháng)尺的熱脹冷縮，必須在紫外，可見(jiàn)和紅外波段定期予以校正，校正時(shí)常用發(fā)射波長(cháng)的低壓汞燈、氘燈，見(jiàn)表1和表2所示［2］。

表1　可采用的低壓汞燈的發(fā)射波長(cháng) nm

表2　氘燈的發(fā)射波長(cháng) nm

　　之所以在表中列出紫外和紅外波長(cháng)是考慮到LED在軍用夜視儀和電器遙控器中的應用。其次，變換波長(cháng)時(shí)必須由大到小或由小到大順序進(jìn)行，不可來(lái)回反復，否則會(huì )造成波長(cháng)示值不準確。

　?。硢紊珒x使用中易被忽略的問(wèn)題

　?。ǎ保┆M縫散射函數［3］：?jiǎn)紊珒x從本質(zhì)上講，是波長(cháng)連續可變的濾波器。根據濾波理論，一個(gè)濾波器的輸出信號是輸入信號和濾波器傳遞函數兩者的卷積。故濾波器輸出端的信號，一定要去除卷積，即解出卷積方程，才能得到真實(shí)信號。因為單色儀的儀器函數不是一個(gè)δ函數，單色儀出射的量不會(huì )具有100%的純度。所以用單色儀測量一個(gè)光譜量，若不經(jīng)過(guò)狹縫函數的修正，必然會(huì )使光譜形狀發(fā)生畸變，俗稱(chēng)儀器加寬，具體說(shuō)就是譜線(xiàn)加寬和分辯率降低。為了簡(jiǎn)化狹縫散射函數的確定，一般情況下應把單色儀的入、出射狹縫設置成等寬度，因這時(shí)得到的狹縫函數形式上最簡(jiǎn)單。

　?。ǎ玻┕庾V分辯率：如上所說(shuō)，經(jīng)過(guò)單色儀分光后的值是單色儀的帶寬和LED實(shí)際發(fā)出光譜的卷積。倘若LED的光譜帶寬大于單色儀的光譜分辯率，則被測光譜不會(huì )因帶寬引起變化。相反地，一個(gè)窄帶的單色LED在通過(guò)低光譜分辯率的單色儀時(shí)光譜會(huì )引發(fā)變化。表3顯示了一個(gè)半寬度（FWHM）約20nm的紅色LED通過(guò)設置成不同帶寬的單色儀時(shí)其光譜分辯率對測量結果的影響。

表3　不同單色儀狹縫對一支紅色LED測量的影響［4］

　　由表可見(jiàn)，隨著(zhù)狹縫的增大，其輸出波形的帶寬增加，主導波長(cháng)和質(zhì)心波長(cháng)順序減小，而輸出波形的半寬度順序增加。所以狹縫的增加會(huì )使被測光的單色性變差。由表3還可知，在測量精度范圍內當質(zhì)心波長(cháng)幾乎不變的同時(shí)峰值波長(cháng)的半寬度（FWHM）卻有顯著(zhù)的增加，結果導致主導波長(cháng)漂移近1nm。一個(gè)數學(xué)模型以較高的仿真度顯示了LED的光譜寬度與色品坐標及主導波長(cháng)間的關(guān)系［5］。

　?。ǎ常┕鈱W(xué)動(dòng)態(tài)范圍：它的大小取決于單色儀光學(xué)器件和配套電子儀器的質(zhì)量好壞。大的動(dòng)態(tài)范圍有助于提高測量精度以及色品三刺激值的純度，表4表示了一支紅光LED在各種動(dòng)態(tài)范圍下色度測量值的變化。

表4　一支紅色LED動(dòng)態(tài)范圍變化時(shí)的測試結果［4］

　　由表可見(jiàn)，隨著(zhù)動(dòng)態(tài)范圍的減小，色品刺激值的純度也顯著(zhù)減小，主導波長(cháng)也向長(cháng)波方向漂移，并且色品坐標也減小了。所以對LED進(jìn)行色度測量時(shí)，顏色飽和度是否達到100%是測量精度的一個(gè)重要判據。動(dòng)態(tài)范圍的減小與引入測量噪聲的大小成正比。此外單色儀與CCD陣列器件的光譜儀相比，由于后者的動(dòng)態(tài)范圍小，致使測量所得的光譜波峰削減13%之多［4］。

　?。ǎ矗╇s散光：在進(jìn)行光譜測量時(shí)，雜散光是影響測量精度的主要原因，即使采取了許多措施，也只能減少雜散光而不能完全排除它，尤其是在可見(jiàn)光譜的短波段，這種影響更加顯著(zhù)。因為在蘭光區白光LED的光通量只占10%。再者，由于所測信號和雜散光混在一起構成測量信號，所以在400nm波長(cháng)點(diǎn)，0.5%的雜散光就會(huì )引起5%的定標誤差，對白光LED而言，由于其發(fā)光光譜與普朗克發(fā)射體的偏差較大，所以更容易產(chǎn)生大的測量誤差，因為測量的計算程序通常只能根據普朗克黑體或灰體為基礎編制。所以蘭色LED相對窄的波峰相對于熒光物質(zhì)寬的發(fā)射光譜應設計一個(gè)合適的權重，以提高色度坐標測量的正確性。表5列出了一支白光LED的測量結果。

表5　三臺光譜儀對白光LED色坐標的測量結果［4］

　　這些值是在一個(gè)傳統的單色儀和兩個(gè)多通道快速測量光譜儀上做的，后者的光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍較小。由表可見(jiàn)，由于前者的雜散光屏蔽設置較好，所以，測量結果的準確性較高，其誤差程度在0.3%至2%之間；基于色品坐標的構成特點(diǎn)，y色坐標比x色坐標的誤差要大1倍。由此還可看出，單就雜散光影響而言，當今商品化的多通道快速測量?jì)x的儀器級別比C級還要低1倍以上［2］。

　?。唇Y束語(yǔ)
　　白光LED合成的空間輻射的光譜測量必須考慮到多重因素的影響，不準確的分光測量不但會(huì )導致峰值波長(cháng)及其半寬度的測量誤差，還會(huì )導致大的色度測量誤差。所以要求光譜測量?jì)x器的光譜分辯率應小于0.5nm，其對雜散光的屏蔽水平應小于測量信號值的3個(gè)量級。