LED发光的光谱及色度分析课件Word下载.docx

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ABSTRACT

LED（lightemitteddiode）isnowwidelyusedinthefieldofilluminatingengineeringaswellasinformationtechnology,andisexpectedtobeoneoftheuppermostlightsourcesinthefuture.DespiteofthewideandrapidlygrowingapplicationofLED,thereliablemethodforitsphotometricmeasurementisworthwhiletoberesearched.

Basedonthephotometry,therelatedmethodsandstandardsofLED'

sphotometrictestarestudied,asystemschemeispresentedformeasuringtheluminousintensitydistributioncharacteristicsofLED,inwhichstructureandopticalcharactersareconsidered.Inaddition,thetestcondition,operationprocedures,andthemeasurementuncertaintyarediscussed.

Forthehardwareofthesystem,thesingle-chipcomputerofAT89C52isadoptedastheMCU（micro-controllerunit）,andthephotoelectrictransformationandsignalamplificationcircuitaredesignedforthesamplingchannel.Ahigh-speed16bitA/Dconverterisusedtoensuretheprecisionandrespondentrate,whilethedatacommunicationwithPC（personalcomputer）isrealizedviaRS-232serialport.

ThesystemsoftwareiscomprisedbytheMCUprogramandthePCprogram.TheMCUsystemsoftwareincludesthemodulesofstep-motordriver,signalsampling,anddatacommunication,allofwhicharecontrolledbythePC.ThePCdirectstherotationofthestep-motor,bymeansofRS-232,toimplementthephotometricmeasurementanditscalibrationoftheLED.Thenthedataprocessingisperformed,andthemeasurementresultsaredisplayedontheuserinterfaceofPC,includingthephotometricparameterssuchasthemaximalluminous,misalignmentangle,spreadangleoflightbeamandthespatialdistributioncurvefortheluminousintensityoftheLED.

Aseriesofexperimentsarecarriedouttoevaluatethephotometricmeasurementperformanceofthissystem.TheexperimentalresultsofthetypicalLEDsshowthatthemeasurementmeetsthespecificationofrelatedstandard,theperformanceisreliableandstable,therebythesystemisapplicabletoindustry.Finally,theaspectsofthisstudyaresummarized,andthepossibleimprovementsinthisschemeareproposed.

Keywords:

photometry,lightemitteddiode（LED）,spatialdistributioncurveofluminousintensity,spreadangleoflightbeam.

第一章绪论

1.1研究背景

发光二极管（LED:

LightEmittingDiode）是一种电致发光的半导体发光器件属于冷光源[1]，过去常规的LED多为红、橙、黄、绿光，只能在产品上充当指示信号灯。

随着光电技术及材料科学的发展，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，欧美及日本等国成立了专门的LED研究机构，LED也向高亮度[2]、全彩化、显示大型化的方向发展，而且LED的发光效率正在逐步提高。

随着对紫光、紫外、白光LED研究的深入，LED将有可能成为21世纪最有前途的光源。

1.2发展的历史和现状

从20世纪60年代第一只发光二极管问世以来，LED经历了30多年的发展。

早期所用的材料GaAsP发红光（650nm），在驱动电流20mA时，光通量只有千分之几流明（lm，光通量单位），发光效率只有0.11m/W，多用做做指示灯。

20世纪70年代，材料研究不断深入，引入了In和P，使LED产生绿光（555nm）、黄光（590nm）和橙光（610nm），光效提高到1lm/W，应用进入显示领域。

80年代以后，出现了GaAlAs的LED，其封装技术也逐步提高，红、黄色LED光效可达10lm/W。

90年初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿光、蓝光的GaInN两种新材料开发成功，使LED光效得到大幅度提高。

1993年日本日亚化学公司率先在蓝色GaNLED技术上突破并很快产业化，进而于1996年实现白光LED之后，1998年推向市场，为LED找到了照明的新舞台。

白光LED得到了迅速发展，并在普通照明领域显示出良好的应用前景。

表1.1列出LED的发展进程。

如今LED已经广泛应用于仪器仪表、交通照明如城市交通、铁路、公路、机场、安全警示灯等日常生活领域和科学研究领域[3]。

由于LED结构简单，安装灵活方便，能够满足车灯美观大方的要求，因此越来越受到车灯厂商的青睐，在我国汽车工业高速发展的带动下，汽车领域对高亮度LED的需求量预计到2010年将会达到65亿颗左右；

而功率型白光LED则作为专用照明光源，也广泛应用于汽车和飞机内的阅读灯、建筑物装饰光源、舞台灯光、城市夜景以及便携式照明光源如钥匙灯、手电筒、背光源及矿工灯等各个生活及工业领域。

表1.1LED发展进程

发光材料

时间

说明

GaAsP

六十年代

低效的红色LED

GaP

七十年代

高发光效率的红色LED

GaAlAs

八十年代

进一步提高发光效率，超高亮度红色LED

InGaAl

九十年代

MOVPE技术得到发展，白色LED问世

InGaN

2000年后

研制出超高亮度的绿色和蓝色LED

1.3LED的特点和分类

大多数LED的工作电为1.5V-4V，耗电少（l0mA以下即可在室内得到适当的亮度），可通过调节电流（或电压）来对发光亮度进行调节，且响应速度快，并可直流驱动；

LED比普通光源的单色性好；

发光亮度和发光效率均较高，容易与集成电路配合使用，体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿命长。

根据LED的发光颜色、出光面特征、结构、发光强度和工作电流等参数的不同，发光二极管可有多种分类方法。

（1）按发光管发光颜色分类

LED按其发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）,蓝光等。

另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。

散射型发光二极管适合做指示灯用。

（2）按出光面特征分类

按出光面特征分，LED可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

圆形灯按直径分为Φ2mm,Φ4.4mm,Φ5mm,Φ8mm,Φ10mm及Φ20mm等。

（3）LED的半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况，所以从发光强度角分

布图来分可以将LED分为三类:

a）高指向型。

一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。

半

值角为5°

-20°

或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

b）标准型。

通常作指示灯用，其半值角为20°

-45°

。

c）散射型。

这是视角较大的指示灯，半值角为45°

-90°

或更大，散射剂的量较大。

（4）按结构分类

按照发光二极管的结构分类，有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

（5）按发光强度和工作电流分类

按发光强度和工作电流的不同，LED可以分为普通亮度（发光强度<

<

l0mcd）、高亮度（发光强度为10-100mcd）、超高亮度（发光强度>

>

100mcd）等类型。

一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类等其他方法。

1.4LED测试标准及检测技术研究现状

由于LED的特殊性，无论在尺寸、光通量水平、光谱和空间强度分布方面都与通常所谓的“灯”非常不同。

因此，把光度量从传统的发光强度标准（标准灯）传递到LED并不是一件简单的事情，它包含着很多的不确定性。

LED输出的光和辐射与芯片温度有关的特性，以及光学设计上的巨大差异，使得测试LED并非易事，但如何准确测量它的光和辐射参数却引起了各国工业协会和CIE（国际照明委员会）的关注。

长期以来，LED测试再现性差，不同测试装置之间的测试结果一致性差。

为此CIE专门成立了“TC2-45LED测量”和“TC2-46CIE/ISO关于LED强度测量标准”两个技术委员会专门化小组来研究解决相应的问题。

CIETC2-34小组在1997年10月22—25日在维也纳总部召开会议,制定并推荐了CIE127-1997“MeasurementofLEDs”（发光二极管测量），它涉及LED辐射度、光度和色度测量。

发光二极管既是一个半导体二极管，又是一个光源，一般来说作为半导体器件，我们需要测量它的电参数。

电参数是衡量一个发光二极管是否能正常工作的最基本的判据，通常包括正向电流和正向电压，反向电压和反向电流。

作为一个光源，我们需要测量他们的光和辐射在空间分布的能量参数，测量光和辐射能量的光谱分布参数。

第二章相关光度学基本原理

2.1LED的发光原理

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。

LED属于固态光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

LED结构图如下面图2-1所示：

图2-1LED的结构图

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片。

常规的发光二极管芯片的结构如图2-2所示，主要分为衬底，外延层（图2-3中的N型氮化镓，铝镓铟磷有源区和P型氮化镓），透明接触层，P型与N型电极、钝化层几部分。

钝化层的作用是保护透明接触层[4]。

图2-2常规InGaN/蓝宝石LED芯片剖面图

图2-3InGaNLED芯片俯视图

在p型半导体和n型半导体之间存在一个过渡层，称为p－n结。

跨过此p－n结，电子从n型材料扩散到p区，而空穴则从p型材料扩散到n区，如图2-4（a）所示。

作为这一相互扩散的结果，在p－n结处形成了一个势垒，阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态（见图2-4（b））。

当外加一足够高的直流电压V，且p型材料接正极，n型材料接负极时，电子和空穴将克服在p－n结处的势垒，分别流向p区和n区。

在p－n结处，电子与空穴相遇[5]，复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量将以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。

这就是发光二极管的发光原理。

（见图2-4（c））。

通过材料的选择可以改变半导体的能带带隙，从而就可以发出从紫外到红外不同波长的光线，且发光的强弱与注入电流有关。

例如，由目前流行的第三代半导体材料——GaN所制成的LED光谱分布很宽，可以从紫外的380nm，到蓝色的465nm，直至翠绿色的525nm。

图2-4发光二极管的工作原理（a）电子和空穴扩散（b）形成势垒（c）电子和空穴复合发光

2.2LED的封装

（2-1）

从上式LED发出的光通量正比于量子效率和转换效率，以及注入电流。

要是发出的光真正得以输出，正确的封装尤为重要。

其次，由于LED发出的总光通量有限，在封装时还要考虑到使用用途，使其有限的光能得以有效的利用。

由于以上因素，使得LED的封装形状和光能输出各式各样，从发光面形状，有圆形的，方形的。

从光束上分有聚焦的，有发散的，还有平行光束的。

有如下表达式：

I＝

＝

（2-2）

从物理上看，这里的平均发光强度的概念，不再与发光强度的概念关联得那么紧密，而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关[6]。

2.3LED的主要特性

2.3.1光谱分布、峰值波长和光谱辐射带宽

发光二极管所发之光并非单一波长，其波长具有正态分布的特点，在最大光谱能量（功率）处的波长成为峰值波长。

峰值波长在实际应用中其意义并不是十分明显，这是因为即使有两个LED的峰值波长是一样的[7]，但它们在人眼中引起的色感觉也是可能不同的。

光谱辐射带宽是指光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔，它表示发光管的光谱纯度。

GaN基发光二极管的光谱射带宽在25至30nm范围。

2.3.2光通量

LED光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通量（单位是流明（lm）），是指LED向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量[8]。

但要考虑人眼对不同波长的可见光的光灵敏度是不同的，国际照明委员会（CIE）为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结，在明视觉条件（亮度为3cd/m2以上）下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数V（λ），它在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图2-5所示，其中V’（λ）为暗视觉条件（亮度为0.001cd/m2以下）下的光谱光视效率。

例如一个100W的灯泡可产生1500lm，一支40W的日光灯可产生3500lm的光通量。

图2-5明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数

通常，光通量的测量以明视觉条件作为测量条件，在测量时为了得到准确的测量结果，必须把LED发射的光辐射能量收集起来，并用合适的探测器（应具有CIE标准光度观测者光谱光效率函数的光谱响应）将它线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。

这里可以用积分球来收集光能量，如图2-6。

图2-6积分球结构示意图

积分球又叫光度球，是一个球形空腔，由内壁涂有均匀的白色漫反射层（硫酸钡或氧化镁）的球壳组装而成，被测LED置于空腔内。

LED器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，使整个球壁上的照度均匀分布，可用一置于球壁上的探测器来测量这个与光通量成比例的光的照度。

基于积分球的原理，图2-6中挡屏的设计是为了避免LED光直射到探测器。

球和探测器组成的整体要进行校准，同时还要关注探测器与光谱光视效率V（λ）的匹配程度，使之比较符合人眼的观测效果[9]。

2.3.3发光强度

发光二极管的发光强度取决于p－n结中辐射型复合机率与非辐射型复合机率之比，通常是指法线方向上的发光强度。

若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr（即一单位立体角度内光通量为1lm）时，则称其发光强度为前面已出现，符号为cd。

由于早期LED的发光强度小，所以发光强度也常用毫坎德拉（mcd）作单位。

发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小（这种要求被称为远场条件）。

但是在LED测量的许多实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大或者是LED与探测器表面构成的立体角太大，在这种近场条件下，并不能很好地保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同，从而严格地说并不能测量得到真正的LED的发光强度[10]。

为了解决这个问题，使测量结果可通用比较，CIE推荐使用“平均发光强度概念:

照射在离LED一定距离处的光探测器上的通量,与由探测器构成的立体角的比值。

其中立体角可将探测器的面积S除以测量距离d的平方计算得到。

从物理上看，这里的平均发光强度的概念，与发光强度的概念不再紧密关联，而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。

CIE关于近场条件下的LED测量，有两个推荐的标准条件：

CIE标准条件A和B。

这两个条件都要求，所用的探测器有一个面积为1cm2（对应直径为11.3mm）的圆入射孔径，LED面向探测器放置，并且要保证LED的机械轴通过探测器的孔径中心。

两个条件的主要区别是在于：

LED顶端到探测器的距离，立体角和平面角（全角）的不同，如表2-3所示：

表2.3CIE平均LED发光强度标准测试条件

实际应用中，用得较多的是条件B，它适用于大多数低亮度的LED光源，高亮度且发射角很小的LED光源应使用条件A。

2.3.4色温

不同的光源，由于发光物质成份不同，其光谱功率分布有很大差异，一种确定的光谱功率分布显示为一种相应的光色，我们可以将光源所发的光与“黑体”辐射的光相比较来描述它的光色。

人们用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表达一个光源的颜色，称作光源的颜色温度，简称色温。

用光源最接近黑体轨迹的颜色来确定该光源的色温，这样确定的色温叫做相关色温[11]。

以绝对温度（k=℃+273.15）K来表示，即将一黑体加热，温度升到一定程度时，颜色逐渐由深红-浅红-橙红-黄-黄白-白-蓝白-蓝变化。

如：

当黑体加热呈现深红时温度约为550℃，即色温为550℃+273=823K。

2.3.5发光效率

发光效率：

光源发出的光通量除以所消耗的功率（单位是lm/w）。

它是衡量光源节能的重要指标。

测得发光二极管的光通量后，就可以进一步经计算获得

LED器件的发光效率。

其计算关系式定义[12]:

发光效率:

（2-3）

其中

，

分别是发光二极管的正向电流和正向电压。

2.3.6显色性

光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。

也就是颜色的逼真程度。

国际照明委员会CIE把太阳的显色指数（ra）定为100。

各种类型的光源其显色指数各不相同。

例如：

白炽灯的显色指数大于90，荧光灯的显色指数在60至90之间[13]。

2.3.7正向工作电压

正向工作电压是在给定的正向电流下得到的

一般是在

=20mA时测得的。

以常见的GaNLED为例，正向工作电压

在3.2V左右。

2.3.8V－I特性

在正向电压小于阈值时，正向电流极小，不发光。

当电压超过阈值后，正向电流随电压迅速增加。

由V－I曲线可以得出LED的正向电压，反向电流及反向电压等参数。

正常情况下常见的GaNLED反向漏电流在

=-5V时，反向漏电流

10μA。

图2-7LEDV-I特性测试电路图

2.3.9P－I特性

P－I特性：

即LED轴向光强与正向注入电流关系特性。

由于一个产品中往往要使用许多个LED，各LED的发光亮度必须相同或成一定比例后才能呈现均一的外观，因此我们必须使用恒流源控制好各LED的工作电流，从而使各LED的亮度达到的一致性。

要研究LED工作电流与亮度的关系，我们就必须测量它的P－I特性[14]。

（a）电路图（b）装置图

图2-8LEDP-I特性测试

LED光强的测量是按照光度学上的距离平方反比定律来实现的。

我们的测量电路及装置如图8和9所示。

根据CIE127-1997标准，取LED到探测器端面距离d＝100mm，探测器接收面直径a＝11.3mm。

2.4小结

本章了解发光二极管的发光机理、光学特性与电学特性。

接下来根据LED的发光效率公式讨论电流对LED的发光效率的影响，通过实验测量红光和绿光LED的光通量。

第三章实验设计

本章主要介绍试验系统总体设计，包括实验的用具，实验的记录和数据处理。

3.1实验用具

实验用具：

LED（绿光和红光）、精密数显直流稳流稳压电源、积分球（Φ＝30cm）、多功能光度计（图3-1）。

光功率计、直尺、万用表、导线。

图3-1测量光通量Φ和V-I特性

3.2实验记录与数据处理

3.2.1LED光通量的测量

（1）测量红光LE