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LED光谱测量的操作技术解析

作者:时间:2019-10-16来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.afhie.tw/article/201910/405880.htm

今年是发光二极管()诞生40周年,但只有到5年前白光开发成功后,对进行才提上日程。迄今,白光LED的法向发光强度已达10cd以上,光效已超过25lm/W。由于它具有10万小时的寿命,微秒级的响应时间,光效已超过白炽灯;并且体积小,结构牢固。所以继卤钨灯、荧光灯之后,它成为第三代照明光源的趋势已成为必然。目前白光LED的制造途径主要有三种:

(1)利用InGaN/GaN兰光芯片,结合激发光为黄光的荧光物质YAG复合成白光;

(2)利用红、绿、兰三基色通过各自比例的调整,复合成白光;

(3)在ZnSe单晶基板上形成ZnCdSe薄膜,通电后薄膜发兰光,它与基板产生连锁反应发出黄光,复合成白光。

故各种白光LED离开等能白的色品坐标,即WE(0.3333,0.3333)的差距各不相同,从而对应的色温、色纯度和显色指数等?#38382;?#20063;各不相同,所以对它进行光谱量测量的重要性不言而喻。

准确测试LED各类光电?#38382;?#23545;改善LED的性能作用颇大,其中光谱量的测试基本上有三?#22336;?#27861;,一是把测量光用若干块不同波长的带通滤光片过滤后到达光探测器,光探测器一般用光电?#23545;?#31649;和硅光电二极管。二是把测量光经衍射光栅分光后到达线阵CCD电荷耦合器件。三是用单色仪分光后进行测量。前面两?#22336;?#27861;主要用于便携式光谱测试仪对LED进行多?#38382;?#19968;次性快速测量,用同一结构配置的硬件测量多个?#38382;?#24517;然降低测量精度,后一?#22336;?#27861;计量部门运用较多,能得到高精度的测量值,但测量时间较长。对单色LED主要测定其峰值波长和半宽度(FWHM),对白色LED主要测定其相对功率分布,从而?#39057;?#20986;其色品坐标,主波长、色温、色纯度和显色指数等?#38382;?#25152;以是光谱量测量的重点对象。

单色仪使用中的一般技术

(?#20445;?#20809;栅的准确对焦:目的是使被测光源的光达到光栅时能充满光栅,以便减小光通过单色仪后的衰减率。光斑太小使出射光的信号减小,光斑尺寸超过光栅?#21482;?#20351;这部分光变成?#30001;?#20809;而降低测量精度。所以入射光的配置必须符合所用单色仪的f/D数,使得与LED匹配的透?#30340;?#20351;被测光正好临界地充满光栅。

(2)狭缝尺寸的设置:一般使出、入射狭缝等宽度,这时所得信?#21028;?#29366;为等腰三角形,否则将变成梯形甚至更复杂的形状。狭缝的宽窄应根据被测光的强弱同步调节。狭缝的高度也要相应限制,这只能靠在出、入射狭缝前后放置各种宽度的平行光阑达到,因为单色?#19988;?#33324;并没有调节狭缝高低的功能。狭缝尺寸过大会降低光谱量的纯度,当仪器的最小?#23548;?#24102;宽不大于设置带宽的1.2倍时,将得到最小的光谱带宽。

(?#24120;?#27874;长鼓的使用:首先,由于气?#21348;?#21270;造成波长尺的?#26085;?#20919;缩,必须在紫外,可见和红外波段定期予以校正,校正时常用发射波长的低?#26500;?#28783;、氘灯,见表1和表2所示。

表1 可采用的低?#26500;?#28783;的发射波长 nm

之所以在表中列出紫外和红外波长是考虑到LED在军用夜视仪和电器遥控器中的应用。其次,变换波长时必须由大到小或由小到大顺序进行,不可来回反复,否则会造成波长示值不准确。

单色仪使用中易被忽略的问题

(1)狭缝散射函数:单色仪从本质上讲,是波长连续可变的滤波器。根据滤波理论,一个滤波器的输出信号是输入信号和滤波器传递函数两者的卷积。故滤波器输出端的信号,一定要去除卷积,即解出卷积方程,才能得到真实信号。因为单色仪的仪器函数不是一个δ函数,单色仪出射的量不会具有100%的纯度。所以用单色仪测量一个光谱量,若不经过狭缝函数的修正,必然会使光谱形状发生畸变,俗称仪器加宽,具体说就是谱线加宽和分辩?#24335;?#20302;。为了简化狭缝散射函数的确定,一般情况下应把单色仪的入、出射狭缝设置成等宽度,因这时得到的狭缝函数形式上最简单。

(2)光谱分辩率:如上所说,经过单色仪分光后的值是单色仪的带宽和LED?#23548;?#21457;出光谱的卷积。倘若LED的光谱带宽大于单色仪的光谱分辩率,则被测光谱不会因带宽引起变化。相反地,一个窄带的单色LED在通过低光谱分辩率的单色仪时光谱会引发变化。表3显示了一个半宽度(FWHM)约20nm的红色LED通过设置成不同带宽的单色仪时其光谱分辩率对测量结果的影响。

表3 不同单色仪狭缝对一支红色LED测量的影响

由表可见,随着狭缝的增大,其输出波形的带宽增加,主导波长和质心波长顺序减小,而输出波形的半宽度顺序增加。所以狭缝的增加会使被测光的单色性变差。由表3还可知,在测量精度?#27573;?#20869;当质心波长几乎不变的同时峰值波长的半宽度(FWHM)却有显著的增加,结果导致主导波长漂移近1nm。一个数学模型以较高的仿真度显示了LED的光谱宽度与色品坐标及主导波长间的关系。

(3)光学动态?#27573;В?#23427;的大小取决于单色仪光学器件和配套电子仪器的质量好坏。大的动态?#27573;?#26377;助于提高测量精度以及色品三刺激值的纯度,表4表示了一支红光LED在各种动态?#27573;?#19979;色度测量值的变化。

表4 一支红色LED动态?#27573;?#21464;化时的测试结果

动态?#27573;色坐标y色坐标主导波长(nm)刺激值纯度

10E20.6750.282648.187%

10E2.50.7010.286637.096%

10E3.50.7140.287634.3100%

由表可见,随着动态?#27573;?#30340;减小,色品刺激值的纯度也显著减小,主导波长也向长波方向漂移,并且色品坐标也减小了。所以对LED进行色度测量时,颜色饱和度是否达到100%是测量精度的一个重要判据。动态?#27573;?#30340;减小与引入测量噪声的大小成正比。此外单色仪与CCD阵列器件的光谱仪相比,由于后者的动态?#27573;?#23567;,?#29575;?#27979;量所得的光谱波峰削减13%之多。

(4)?#30001;?#20809;:在进行时,?#30001;?#20809;是影响测量精度的主要原因,即使采取了许多措施,也只能减少?#30001;?#20809;而不能完全排除它,尤其是在可见光谱的短波段,这种影响更加显著。因为在兰光区白光LED的光通量只占10%。再者,由于所测信号和?#30001;?#20809;混在?#40644;?#26500;成测量信号,所以在400nm波长点,0.5%的?#30001;?#20809;就会引起5%的定标误差,对白光LED而言,由于其发光光谱与普朗克发射体的偏差较大,所以更容易产生大的测量误差,因为测量的计算程序通常只能根据普朗克黑体或灰体为基础编制。所以兰色LED相对窄的波峰相对于荧光物质宽的发射光谱应设计一个合适的权重,以提高色度坐标测量的正确性。表5列出了一支白光LED的测量结果。

这些值是在一个传统的单色仪和两个多通道快速测量光谱仪上做的,后者的光学动态?#27573;?#36739;小。由表可见,由于前者的?#30001;?#20809;屏蔽设置较好,所以,测量结果的准确性较高,其误差程度在0.3%至2%之间;基于色品坐标的构成特点,y色坐标比x色坐标的误差要大1倍。由此还可看出,单就?#30001;?#20809;影响而言,当今商品化的多通道快速测量仪的仪器级别比C级还要低1倍以上。

结束语

白光LED合成的空间辐射的必须考虑到多重因素的影响,不准确的分光测量不但会导?#36335;?#20540;波长及其半宽度的测量误差,还会导致大的色度测量误差。所以要求光谱测量仪器的光谱分辩?#35270;?#23567;于0.5nm,其对?#30001;?#20809;的屏蔽水?#25509;?#23567;于测量信号值的3个量级。



关键词: LED 光谱测量

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