一種用于LED 特性檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)儀器的研究＊

張 倩，張學(xué)典，常 敏，毛辰飛

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，LED 在各種光電器件，自動(dòng)化設(shè)備，家用電器，信號(hào)指示燈以及照明行業(yè)等方面獲得了極為廣泛的應(yīng)用。特別是照明行業(yè)，伴隨著高亮度的白光LED 的問世，使LED 代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾燈乃至節(jié)能燈成為可能。LED 的節(jié)能性，無污染性被廣泛認(rèn)可。只有掌握好了二極管基本物理特性，才能更好地研制和應(yīng)用二極管。為了在實(shí)驗(yàn)中更加清楚地認(rèn)識(shí)和掌握LED 的結(jié)構(gòu)，發(fā)光原理以及光電特性，提出一種能夠直觀測(cè)量LED 包括正向電流、光通量、主波長(zhǎng)、色坐標(biāo)以及色溫等一系列光電特性的檢測(cè)裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用非對(duì)稱的Czerny－Turner結(jié)構(gòu)，體積小，便于攜帶，通過各類器件的選定，可以達(dá)到多波段的光譜測(cè)量的要求。

1 LED的主要光電特性以及測(cè)試原理

LED 是一種電致發(fā)光的器件，其核心是PN 結(jié)，它由半導(dǎo)體構(gòu)成，具有反向截止、擊穿，正向?qū)ǖ奶匦?。不同的半?dǎo)體材料可以制成不同顏色的LED，且發(fā)光的強(qiáng)弱與注入電流有關(guān)［1］。同時(shí)LED 的芯片，外形結(jié)構(gòu)，封裝技術(shù)等也是影響LED 的各種光學(xué)特性的原因。LED 的光電參數(shù)主要為伏安特性、光通量、發(fā)光強(qiáng)度、峰值波長(zhǎng)、主波長(zhǎng)、色坐標(biāo)、顯色性及相關(guān)色溫。

1.1 LED 的伏安特性

當(dāng)正向電壓低于閾值時(shí)，正向電流較小，LED 不發(fā)光；當(dāng)正向電壓增加到超過閾值電壓后，正向電流隨電壓的增加迅速增加，有指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。不同材質(zhì)不同顏色的LED，其閾值電壓，伏安特性也會(huì)稍有不同。圖1 為一綠光LED 的U－I 特性圖：

隨著通過的正向電流增大，LED 的光亮度也會(huì)逐漸變強(qiáng)，故LED 屬于電流控制性半導(dǎo)體器件，其光亮度L（單位為cd／m2）與正向電流IF近似的成正比關(guān)系：

式（1）中，k為比例系數(shù)，在小電流范圍內(nèi)（IF＝1～10mA，m＝1.3～1.5。當(dāng)IF＞10mA 時(shí)，m＝1，上式可簡(jiǎn)寫為：

即LED 的光亮度與正向電流成正比。在使用LED 時(shí)，應(yīng)根據(jù)所要求的顯示亮度來選取合適的IF。這樣既保證亮度適中，也不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而損壞LED。正因?yàn)殡娏鲗?duì)LED 的亮度有直接的影響，所以LED 主要采用恒流驅(qū)動(dòng)。

1.2 光通量的測(cè)量

國(guó)際照明委員會(huì)CIE定義LED 光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼視覺的那部分輻射通量為光通量Φv，單位為lm。與輻射通量的概念相比，它考慮了人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的可見光的光感受的不一致性，針對(duì)這種不一致性，CIE制定了光譜效率函數(shù)，它主要針對(duì)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的單色光的靈敏度作了總結(jié)：在明視覺條件下（亮度為3cd／m2以上），會(huì)接觸人眼標(biāo)準(zhǔn)廣度觀測(cè)者光譜效率函數(shù)V（λ），它在555nm 上有最大值，此1W 輻射通量等于683lm。反之，他們也定義了相關(guān)暗視覺條件，如下圖2所示，V（λ）表示明視覺條件下的光譜效率函數(shù)，V′（λ）表示暗視覺條件下的光譜效率函數(shù)［2］。

明視覺條件下，輻射量向光通量的轉(zhuǎn)化表達(dá)式可以表示為：

暗視覺條件下，輻射量向光通量的轉(zhuǎn)化表達(dá)式可以表示為：

圖2 明暗視覺下光譜效率函數(shù)Fig.2 Spectrum efficiency function for daylight and darkness

為了更準(zhǔn)確地測(cè)量光通量，經(jīng)常會(huì)采用積分球這個(gè)裝置，主要是在于盡可能多地將LED 輻射的光收集起來，并通過球內(nèi)的多次反射得到光照度均勻的光。

通過拍照和Image J圖像處理軟件[26]，測(cè)定土壤表面(1 m×1 m)覆蓋的各露石尺寸和面積，具體的工作流程見圖1。嵌入土體的不影響土表平整的石體則以土體內(nèi)部碎石計(jì)算[27]。小于5 mm的巖石碎片被認(rèn)為與沙子具有相同的物理性質(zhì)[28]，而且受圖像分辨率的限制，5 mm以下的碎石在圖像中不易辨別，因此巖石尺寸的下限設(shè)定為5 mm。巖石粒度分類標(biāo)準(zhǔn)為：5～20 mm，20～75 mm，75～250 mm，250～600 mm和大于600 mm。

1.3 發(fā)光強(qiáng)度

發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度取決于PN 結(jié)中輻射型復(fù)合機(jī)率與非輻射型復(fù)合機(jī)率之比，通常是指法線方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（1／683）W／sr（即一單位立體角度內(nèi)光通量為1lm）時(shí)，則稱其發(fā)光強(qiáng)度為1cd。從發(fā)光強(qiáng)度的概念中不難發(fā)現(xiàn)，該定義實(shí)際上要求光源為一個(gè)點(diǎn)光源，或者是光源的尺寸和探測(cè)器的面積與離光探測(cè)器的距離相比足夠?。ㄟ@種要求通常被稱為遠(yuǎn)場(chǎng)條件）。但是由于不同的LED，形狀各有不同，而且通過對(duì)LED 光線追跡可以發(fā)現(xiàn)，LED 各個(gè)區(qū)域發(fā)出的光線有不同的聚焦點(diǎn)，因此LED 不能作為點(diǎn)光源來描述，這給發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量帶來了困難。因此，CIE127文件對(duì)于LED 發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量做出規(guī)定：照射在離LED 一定距離處的光探測(cè)器上的光通量Φv與由探測(cè)器構(gòu)成的立體角Ω 的比值，其中立體角Ω 可將探測(cè)器的面積s除以測(cè)量距離d 的平方得到，即：

由上式可知，除了光通量之外，LED 發(fā)光強(qiáng)度也與所采用的探測(cè)器面積以及測(cè)量距離d 的平方直接相關(guān)，為了有一個(gè)統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際照明委員會(huì)（CIE 127－1997）在1997給出兩種試行標(biāo)準(zhǔn)A 和B。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都要求，所用的探測(cè)器有一個(gè)面積為1cm2的（相應(yīng)直徑為11.3mm）的圓入射孔徑。A 和B 這兩個(gè)測(cè)量條件并不嚴(yán)格按照發(fā)光強(qiáng)度的定義進(jìn)行測(cè)量，因此，稱為“平均發(fā)光強(qiáng)度”。目前國(guó)際上大部分實(shí)驗(yàn)室已同意A 和B的測(cè)量條件［3］，見表1。

1.4 LED 的峰值波長(zhǎng)λp、主波長(zhǎng)λD 和光譜半波寬Δλ

峰值波長(zhǎng)λp：在LED 相對(duì)光譜能量曲線中，相對(duì)光輻射最強(qiáng)處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)，它主要由半導(dǎo)體材料的帶隙寬度決定。

光譜半波寬Δλ：在LED 相對(duì)光譜能量曲線中，相對(duì)光輻射能量為二分之一最大光輻射能量值處所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)波長(zhǎng)的差值稱為光譜半波寬。它體現(xiàn)出了光譜的純度，LED 的發(fā)光光譜的半寬度一般為30～100nm，光譜寬度窄意味著單色性好，發(fā)光顏色鮮明，清晰可見。

主波長(zhǎng)λD：任何一個(gè)顏色都可以看作為用某一個(gè)光譜色按一定比例與另一個(gè)參照光（如CIE標(biāo)準(zhǔn)光源A、B、C等，等能光源E，標(biāo)準(zhǔn)照明體D65等）相混合而匹配出來的顏色，這個(gè)光譜色就是顏色的主波長(zhǎng)。

1.5 顯色指數(shù)

1.6 色品坐標(biāo)

色坐標(biāo)是以數(shù)字方式在坐標(biāo)圖上表示光源發(fā)光顏色的量，若知道光源的功率P（λ），就可以計(jì)算該光源在（X，Y）坐標(biāo)系中的色坐標(biāo)。最常用的色品圖是CIE1931－XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)，由色品圖可知，RGB的LED能組合產(chǎn)生出白光。通過線性變換也能得到其他坐標(biāo)系，如CIE1960（U，V）坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.7 色溫

當(dāng)某輻射體與絕對(duì)黑體在可見光區(qū)域具有完全相同的光譜功率分布時(shí)，絕對(duì)黑體的溫度稱為該輻射體的色溫。在色度圖上表現(xiàn)則是某一光源的色坐標(biāo)（X，Y）位于色度圖上的黑體跡線上，那么此黑體的絕對(duì)溫度即定義為該光源的色溫。但是在實(shí)際操作中，發(fā)現(xiàn)有很多光源的色度坐標(biāo)并不能完全落在黑體跡線上，因此就引出相關(guān)色溫的概念。即在色度圖上，和某一光源的色度坐標(biāo)點(diǎn)相距最近的那個(gè)黑體的絕對(duì)溫度就定義為該光源的相關(guān)色溫。在LED 產(chǎn)品中，色溫是一項(xiàng)較為重要的參考指標(biāo)，不同的色溫給人們的心理和生理帶來不同的影響。大功率照明LED 中常用的色溫規(guī)格有3 000K，4 000K，5 000K，根據(jù)不同的照明場(chǎng)合需求進(jìn)行選擇。

表1 發(fā)光強(qiáng)度測(cè)試的A和B測(cè)量條件Tab.1 Condition A and B for luminous intensity test

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)

圖3 LED 特性測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram for LED property test system

微型光纖光譜儀測(cè)量LED 特性系統(tǒng)原理框圖如圖3所示：

系統(tǒng)的工作原理：恒流驅(qū)動(dòng)為L(zhǎng)ED 提供穩(wěn)定的直流電流，同時(shí)也可以顯示出當(dāng)前穩(wěn)定電流的大小以及LED 兩端電壓的大小，它保證了LED 在特定的恒電流下正常發(fā)光，同時(shí)，也可以完成對(duì)LED 的伏安特性的觀測(cè)。積分球上有一個(gè)開端小圓孔，LED 燈可插入此圓孔進(jìn)入積分球內(nèi)，即LED 的光進(jìn)入了積分球內(nèi)，積分球的另一端有一個(gè)連接SMA905光纖，LED 光通過光纖由光纖光譜儀上的狹縫進(jìn)入光纖光譜儀，然后再經(jīng)過準(zhǔn)直分光聚焦后到CCD 探測(cè)器上，CCD 將得到的光譜進(jìn)行由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將電信號(hào)A／D 轉(zhuǎn)換，進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理，將光譜以圖譜形式顯示，并計(jì)算出相應(yīng)的光學(xué)特性參數(shù)。

2.1 LED 恒流驅(qū)動(dòng)模塊

其簡(jiǎn)化模型如圖4所示，電流以及電壓示數(shù)可讀。該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)LED 燈驅(qū)動(dòng)，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LED 燈的電流電壓值，完成LED 的U－I 特性的檢測(cè)。同時(shí)也可計(jì)算出LED 消耗的電功率，為其發(fā)光效率的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

2.2 積分球模塊

光纖光學(xué)積分球是通過一個(gè)0.375′的入口將光導(dǎo)入并匯集到光纖上的光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置（見圖5）。它是一個(gè)球形空腔，由內(nèi)壁涂有均勻的白色漫反射層（硫酸鋇或氧化鎂）的球殼組裝而成，被測(cè)LED 置于空腔內(nèi)。LED 器件發(fā)射的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射，使整個(gè)球壁上的照度均勻分布。這里選擇將LED的點(diǎn)燃位置設(shè)定在積分球內(nèi)壁而非中心，它不僅可以避免LED 工作中溫升所帶來的光通量下降問題，而且LED 點(diǎn)燈裝置的外置盡可能滿足了積分球原理，將點(diǎn)燈裝置的自吸收降到了最低。同時(shí)由于光源與探測(cè)器在同一平面內(nèi)成90°放置，因此幾乎不會(huì)有LED 的光直接攝入探頭，擋屏也不再需要了，從而進(jìn)一步滿足了積分球的原理，提高了LED 光通量測(cè)量的精確度［5］。

圖4 LED U－I 特性測(cè)試電路圖Fig.4 U－I electricity property test for LED

圖5 積分球結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of integrated sphere structure

2.3 光纖光譜儀模塊

光譜儀采用非對(duì)稱交叉式Czerny－Turner分光結(jié)構(gòu)，如圖6非對(duì)稱交叉式Czerny－Turner分光結(jié)構(gòu)所示，這種結(jié)構(gòu)既能縮小光譜儀的整體尺寸，又能使狹縫、光柵、準(zhǔn)直物鏡與光譜像面的位置在空間上不會(huì)產(chǎn)生干涉作用。還可以在有限的空間內(nèi)增長(zhǎng)光線的光程，從而提高微型光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和色散能力［6］。同時(shí)非對(duì)稱交叉式Czerny－Turner分光結(jié)構(gòu)還可以保證光纖的色散發(fā)生在光柵的主截面內(nèi)，反射鏡不存在色差，容易得到更平直的光譜成像譜面，適應(yīng)更大的光譜范圍。該結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件有SMA905光纖接頭、狹縫、準(zhǔn)直反射鏡，閃耀光柵和CCD。狹縫寬度根據(jù)光譜儀的分辨率來確定，光束經(jīng)狹縫后照射到準(zhǔn)直反射鏡A 準(zhǔn)直成平行光束投射到閃耀光柵上，光柵將光束中不同頻率的成分衍射出來，由聚焦反射鏡將不同波長(zhǎng)的光匯聚到CCD 芯片的不同位置，CCD 芯片將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，再由數(shù)據(jù)采集模塊采集處理與分析。

2.4 控制模塊

光纖光譜儀是一個(gè)帶有Cypress CY7C68013微型控制器，該微型控制器主要包括1個(gè)8051處理器，1個(gè)串行接口引擎SIE，1個(gè)USB收發(fā)器，8.5K 片上RAM，4KBFIFO 存儲(chǔ)器以及一個(gè)通用的可編程接口GPIF，它擁有一個(gè)獨(dú)特的架構(gòu)，其中包括一個(gè)智能串行結(jié)構(gòu)引擎SIE，它執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU 解放出來以用于實(shí)現(xiàn)專用的功能，并保證其持續(xù)的高性能的傳輸速率。通過使用USB接口和應(yīng)用環(huán)境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數(shù)據(jù)傳輸，但允許以FIFO 或RAM 的方式訪問這些共享FIFO 來實(shí)現(xiàn)，從而保證了光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟皇芪⒖刂破鞅旧砉ぷ黝l率的影響而達(dá)到高速傳輸。微型光纖光譜儀以CY7C68013為控制核心，實(shí)現(xiàn)所有功能，其控制模塊原理圖如圖7所示。

圖6 非對(duì)稱交叉式Czerny－Turner分光結(jié)構(gòu)Fig.6 Czerny－Turner beam splitter structure of asymmetric and intersection

圖7 LED 特性測(cè)試系統(tǒng)控制模塊原理圖Fig.7 Principle diagram of control module for LED property test

CCD 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理模塊的消噪濾波處理，再利用A／D 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入MCU 微控制器。MCU 微控制器利用接口模塊來獲得PC 機(jī)的通信信息，進(jìn)而按照PC機(jī)的通信指示來對(duì)光譜儀初始化，設(shè)置積分時(shí)間，獲得特定模式下的光譜數(shù)據(jù)。然后再通過接口模塊將光譜數(shù)據(jù)輸出到PC機(jī)，利用PC機(jī)上的各種對(duì)光譜數(shù)據(jù)的算法得出各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)。

3 結(jié) 論

主要提出一種基于微型光纖光譜儀的LED 特性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)儀器的原理設(shè)計(jì)。較以往檢測(cè)設(shè)備而言，其具有體積小，測(cè)量范圍廣，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。特別是LED 驅(qū)動(dòng)電流可調(diào)可顯示的特點(diǎn)，通過測(cè)量不同電流下的LED 光學(xué)特性參數(shù)，可以直觀認(rèn)識(shí)電流對(duì)LED 光學(xué)特性的影響。不足之處在于暫未考慮對(duì)LED 光強(qiáng)的測(cè)量，以及未涉及溫度的檢測(cè)。因?yàn)榇祟惞庾V儀設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)適用于小功率直插型LED，即溫度對(duì)光學(xué)特性非常有限的情況，若對(duì)溫度要求嚴(yán)格，可以采取對(duì)待測(cè)LED 粘接熱偶線的方法來實(shí)現(xiàn)。

［1］ 陳元燈.LED制造技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：3－6.

［2］ 吳繼宗，葉關(guān)榮.光輻射測(cè)量［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：174.

［3］ 呂 正.LED光強(qiáng)測(cè)量中有待商榷的若干問題［J］.計(jì)量技術(shù)，2006，12（7）：23－26.

［4］ 何定邦.印刷色彩學(xué)［M］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2002：22.

［5］ 李文宜.測(cè)量LED總光通量的積分球裝置中光源位置的探討［J］.復(fù)旦學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，46（3）：356－359.

［6］ 黃振宇.基于線陣CCD的小型光譜儀光度特性研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2007，28（5）：564－568.