基于光纖光譜儀的LED 光學(xué)特性測(cè)試

張一超， 池超旦， 龔 雪， 張利宏， 張洪偉， 金 立

(浙江理工大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引 言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能并具有二極管特性的電子器件［1-2］。與傳統(tǒng)光源比較，LED 具有節(jié)能、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長、環(huán)保、發(fā)光體接近點(diǎn)光源、發(fā)光響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，是一種符合綠色照明要求的光源。隨著LED 產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高和成本的不斷下降，LED 已成為信息光電子新興產(chǎn)業(yè)中極具影響力的新產(chǎn)品。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)研究所(NIST)組織測(cè)試專家開展了LED 的測(cè)試研究，試圖建立整套的LED 測(cè)試方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［3-5］。日本成立了白光LED 測(cè)試研究委員會(huì)，專門研究照明用白光LED 的測(cè)試方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

本實(shí)驗(yàn)以海洋光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器(光譜儀、積分球、光纖、電源)搭建LED 光源特性測(cè)試平臺(tái)，通過Spectra Suite 軟件對(duì)LED 的光學(xué)特性數(shù)據(jù)獲取與處理，分別測(cè)試了白光、紅光、黃綠光、藍(lán)綠光、黃光和藍(lán)光LED 的光學(xué)特性。并對(duì)光譜儀USB2000 + 與USB650 Red Tide 測(cè)量結(jié)果作了對(duì)照分析。

1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1，當(dāng)LED 兩端加上正向電壓，電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光［6-7］。

圖1 LED 發(fā)光原理圖

理論和實(shí)踐證明，發(fā)光的波長或頻率取決于選用的半導(dǎo)體材料的能隙Eg(eV)，

式中:v 為電子運(yùn)動(dòng)速度;h 為普朗克常數(shù);q 為載流子所帶電荷;c 為光速;λ 為發(fā)光波長。

LED 的主要光學(xué)參數(shù)［8-11］有光譜分布曲線、輻射通量光通量ΦV、發(fā)光強(qiáng)度、峰值波長λp、半寬度FWHM、主波長λ0、色純度和相關(guān)色溫Tcp。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 海洋光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用海洋光學(xué)公司的光纖光譜儀(USB2000 +與USB650 Red Tide)對(duì)LED 的光度學(xué)和色度學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量，使用Spectra Suite 軟件來完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析［12-13］。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2 所示［14］，圖3 為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)如圖2 連接好實(shí)驗(yàn)平臺(tái);

(2)打開SpectraSuite 軟件，打開LED 燈開關(guān);

(3)根據(jù)向?qū)?，新建絕對(duì)輻射測(cè)量，選擇新建光譜掃描;

(4)選擇光譜儀，選擇從文件中獲得絕對(duì)補(bǔ)償，并且選擇相應(yīng)的補(bǔ)償文件;

(5)選擇使用積分球;調(diào)整平滑度，設(shè)定合適的積分時(shí)間;

(6)關(guān)閉LED 燈開關(guān)，獲得并保存暗光譜，再打開LED 燈開關(guān);

(7)得到光譜分布曲線。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析

3.1 光度學(xué)數(shù)據(jù)

分別使用USB2000 +與USB650 Red Tide 進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，得到發(fā)光強(qiáng)度光譜分布圖和輻射通量光譜分布結(jié)果，對(duì)波峰處數(shù)據(jù)整理得到表1 和表2 數(shù)據(jù)。

就波峰處輻射通量而言，藍(lán)光LED 最大，黃光LED 與黃綠光LED 明顯小于其他顏色光LED。表1中波峰處波長即為各LED 的峰值波長。

通過對(duì)光譜數(shù)據(jù)的處理可以得到各個(gè)單色光LED 光強(qiáng)譜線的半寬度(以USB2000 + 為例):藍(lán)光36. 45 nm，藍(lán)綠光36. 15 nm，紅光21. 35 nm，黃光39.49 nm，黃綠光32.25 nm。對(duì)于單色光光強(qiáng)譜線的半寬度，其值越小則此單色光的顏色越純，即單色性越佳。紅光LED 的半寬度值明顯小于其他顏色光LED的半寬度值，所以紅光LED 的單色性最好。

3.2 色度學(xué)數(shù)據(jù)

在SpectraSuite 軟件中也可以獲得LED 的色品圖以及一些色度學(xué)數(shù)據(jù)，如:色品坐標(biāo)、主波長、色溫、顯色指數(shù)等［15］。藍(lán)光LED、紅光LED 和藍(lán)綠光LED 的色品圖(使用USB2000 + 光譜儀)分別如圖4 ～6 所示。

圖4 藍(lán)光色品圖

圖5 紅光色品圖

圖6 藍(lán)綠光色品圖

在顏色數(shù)據(jù)中得到各種顏色光LED 的色品坐標(biāo)(用USB2000 +光譜儀)整理如下:

白光LED(X，Y，Z)= (46. 16，41. 46，89. 59)，(x，y，z)=(0.260 5，0.233 9，0.505 6);

藍(lán)光LED(X，Y，Z)= (13. 24，9. 31，83. 51)，(x，y，z)=(0.124 8，0.087 7，0.787 4);

藍(lán)綠光LED(X，Y，Z)= (3. 68，21. 65，18. 49)，(x，y，z)=(0.083 9，0.494 1，0.422 0);

紅光LED(X，Y，Z)= (8. 97，3. 84，0. 02)，(x，y，z)=(0.699 5，0.299 3，0.001 2);

黃光LED(X，Y，Z)= (0. 54，0. 43，0. 00)，(x，y，z)=(0.550 7，0.446 8，0.002 6);

黃綠光LED(X，Y，Z)= (0. 42，0. 56，0. 01)，(x，y，z)=(0.428 2，0.566 7，0.005 1)。

在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于單色光LED 得到其色純度(使用USB2000 +光譜儀)，如:藍(lán)0.969，藍(lán)綠0.834，紅0.992，黃0.987，黃綠0.974。可見:紅光LED 的色純度為0.992，最大，即紅光LED 的單色性最佳，這與根據(jù)光強(qiáng)譜線的半寬度所得到的結(jié)論一致。

也可以得到各種顏色光LED 的主波長(使用USB2000 +光譜儀):白475.6 nm，藍(lán)473.4 nm，藍(lán)綠498.9 nm，紅625.6 nm，黃586.2 nm，黃綠567.7 nm。

3.3 光譜儀USB2000 +與USB650 Red Tide 對(duì)比

圖7 和圖8 是光譜儀USB2000 +與USB650 Red Tide 在輻射通量光譜分布圖上的對(duì)比(以紅光LED 和藍(lán)光LED 為例)。圖中:“1”代表使用光譜儀USB2000+;“2”代表使用光譜儀USB650 Red Tide，紅色曲線為使用光譜儀USB2000 +的測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色曲線為使用光譜儀USB650 Red Tide 的測(cè)量結(jié)果。

由圖可見，分別由光譜儀USB2000 + 和USB650 Red Tide 得到的光譜分布曲線整體接近重合，在波峰處有一定分離，峰值波長基本一致。

4 結(jié) 語

通過海洋光學(xué)公司的相關(guān)儀器(光譜儀、積分球、光纖、電源)搭建的LED 測(cè)試平臺(tái)，以及運(yùn)用SpectraSuite 軟件獲得和處理數(shù)據(jù)，分別得到白光、藍(lán)光、藍(lán)綠光、紅光、黃光、黃綠光LED 的光學(xué)特性。整個(gè)實(shí)驗(yàn)方便，簡單，準(zhǔn)確，而且通過各種圖表清晰直觀地展示了LED 光度學(xué)與色度學(xué)性質(zhì)，有助于學(xué)生加深對(duì)光度學(xué)和色度學(xué)相關(guān)概念掌握以及更好理解LED的結(jié)構(gòu)和原理，揭示隱藏在表面現(xiàn)象下的物理學(xué)規(guī)律。通過LED 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，藍(lán)光LED 波峰輻射通量最大，紅光LED 單色性最好，紅光的色純度最大。

圖7 紅光LED 輻射通量光譜分布圖及其局部放大(兩光譜儀對(duì)比)

圖8 藍(lán)光LED 輻射通量光譜分布圖及其局部放大(兩光譜儀對(duì)比)

同時(shí)，本平臺(tái)通過適當(dāng)改裝就可以得到其他應(yīng)用，例如可以測(cè)試不同條件下LED 的光學(xué)特性或者測(cè)試其他光源特性等，便于開展深入研究，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究興趣。

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