1 引言
LED(發(fā)光二極管)由于其光強高、功耗低、壽命長、可靠性高、易驅(qū)動、易與IC相銜接等特點,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的波長就尤為重要。
2 測量原理
LED在可見光區(qū)域內(nèi)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,最大值所對應的波長λP稱為它的峰值波長。它的顏色可用色坐標(x,y)來表示,按CIE規(guī)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標準色度觀察者光譜三刺激值, k稱為調(diào)整系數(shù)：
k= (2)
把LED的Y值調(diào)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(gòu)成了1931CIE-XYZ色品圖,如圖
2所示,從780nm沿邊緣線到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交邊緣線于λd,λd即為該LED 的主波長,它反映了人眼觀察LED顯示的目視感覺[2]。
LED的質(zhì)心波長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放在一個直徑180mm的積分球內(nèi),圖3(b)為驅(qū)動LED的恒流源,電流在1～100mA可調(diào),也可設置為方波恒流源,電流在1～1000mA可調(diào),頻率1KHz,占空比1/8,圖中恒流管4DH7、達林頓管TIP41C、電阻R2、可調(diào)電阻RL2構(gòu)成恒流源,IC555、4017、電阻R1、可調(diào)電阻RL1構(gòu)成方波驅(qū)動電路。LED發(fā)的光通過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陣CCD的感光面上,線陣CCD上的各個象元對應LED各個波長的能量特征,經(jīng)CCD采樣、放大和A/D轉(zhuǎn)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波長的標定
先將低壓Hg燈、He-Ne激光器及已知波長的半導體激光器的光引入積分球內(nèi),計算機找到對應于Hg燈、He-Ne激光器及半導體激光器譜線：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(nèi)各波長所對應的CCD象元位置,這就完成了波長的標定。計算機所采集到的各波長的信號 與 的關(guān)系為：
= (5)
這里, 是整個光學系統(tǒng)的光譜透射率, 是CCD的光譜響應靈敏度, 是比例系數(shù)。
3.1.2能量的標定
將標準A光源的光引入積分球內(nèi),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λP。
3.2 λP的測定
由圖2可知,1931CIE-XYZ色品圖邊緣線上每個波長的色品坐標與等能白WE(0.3333,0.3333)間都存在一個斜率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所對應的波長即為主波長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Si-PIN探測器D1、D2檢測,其中D1加濾光片校正,使它在可見區(qū)內(nèi)的相對光譜靈敏度 =1,經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)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區(qū)內(nèi)近似為常數(shù),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(shù)。 可由已知波長的激光器方便地定得。
4 實驗結(jié)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進行了實測,結(jié)果如表1所示,誤差小于1nm。可見它能勝任LED的波長測試。
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 λm1,可見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λP<572 nm時,λd>λp,當λP> 572 nm時,λd>λp,由表2可見, λd和λp的關(guān)系與其相符。
表1 峰值波長λp的測試結(jié)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)系按目前常見顯示用LED(455～660nm)分波段列出, 示于表3,可見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)心波長在藍端移向長波, 在紅端移向短波。因此,可簡單地由質(zhì)心波長來估算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
λd(nm) 462 471 472 484 498 508 522 528 538 571 586 592
λm(nm) 439 467 471 485 501 510 522 525 533 571 587 595
λm1(nm) 447 469 472 485 501 510 523 526 535 572 587 594
LED No. 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
λp(nm) 596 600 601 621 626 629 635 638 654 657 659 703
λd(nm) 593 695 596 614 619 621 625 629 641 644 645 653
λm(nm) 596 598 599 621 626 629 635 637 654 657 659 705
λm1(nm) 595 597 598 618 623 625 629 632 649 650 651 676
表3 各種LEDλd和λm(λm1)值的關(guān)系
Table 3 The relation between λd and λm(λm1)of some LEDs
λd(nm) 450～475 475～520 520～550 550～605 605～630 630～660
(λm-λd)(nm) -1～-4 1～4 -3～-5 0～3 7～8 10～14
(λm1-λd)(nm) -2～0 1～3 -2～-3 1～2 4 4～6
5 結(jié)論
LED的發(fā)光光譜為準單色光分布(除白色LED外),影響其發(fā)光顏色的主要因素有：峰值波長、帶寬、主波長和質(zhì)心波長,而主波長λd描述了人眼對LED發(fā)光的目視感覺,用分光光度法測量LED的相對光譜功率分布來獲得λd,精度達1nm,但需要較復雜的分光系統(tǒng)和CCD采樣系統(tǒng)。而測量質(zhì)心波長λm來估算LED主波長λd,其誤差小于3nm,方便簡捷地適用于LED顏色的快速檢測和區(qū)別。
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