一种用于LED特性检测的实验仪器的研究

摘要： 介绍了一种基于微型光纤光谱仪的LED特性检测仪器的设计原理。为了降低积分球测量光通量中所引起的自吸收误差与温度升高对LED光通量的影响误差，选取将LED与探测器成90°放置的解决方法。同时，光谱仪模块采取非对称交叉式CzernyTurner分光结构来达到微型化高分辨率的目的。基于正向电流对LED光通量的影响，提出可调可显示的恒流源的设计。研究结果对研制检测LED特性的微型检测装置具有一定的指导意义，由于恒流源电流的可读可调节的设计，电流变化对LED光学特性的影响可以较为清晰地体现出来。

关键词： LED特性检测； 微型光纤光谱仪； 系统设计

中图分类号： TH 744.1文献标识码： Adoi：

引言随着半导体技术的快速发展，LED在各种光电器件，自动化设备，家用电器，信号指示灯以及照明行业等方面获得了极为广泛的应用。特别是照明行业，伴随着高亮度的白光LED的问世，使LED代替传统白炽灯乃至节能灯成为可能。LED的节能性，无污染性被广泛认可。只有掌握好了二极管基本物理特性，才能更好地研制和应用二极管。为了在实验中更加清楚地认识和掌握LED的结构，发光原理以及光电特性，提出一种能够直观测量LED包括正向电流、光通量、主波长、色坐标以及色温等一系列光电特性的检测装置系统。该系统采用非对称的CzernyTurner结构，体积小，便于携带，通过各类器件的选定，可以达到多波段的光谱测量的要求。1LED的主要光电特性以及测试原理LED是一种电致发光的器件，其核心是PN结，它由半导体构成，具有反向截止、击穿，正向导通的特性。不同的半导体材料可以制成不同颜色的LED，且发光的强弱与注入电流有关[1]。同时LED的芯图1绿光LED的UI特性

Fig.1UI property for green LED片，外形结构，封装技术等也是影响LED的各种光学特性的原因。LED的光电参数主要为伏安特性、光通量、发光强度、峰值波长、主波长、色坐标、显色性及相关色温。

1.1LED的伏安特性当正向电压低于阈值时，正向电流较小，LED不发光；当正向电压增加到超过阈值电压后，正向电流随电压的增加迅速增加，有指数增长的趋势。不同材质不同颜色的LED，其阈值电压，伏安特性也会稍有不同。图1为一绿光LED的UI特性图：光学仪器第35卷

第1期张倩，等：一种用于LED特性检测的实验仪器的研究

随着通过的正向电流增大，LED的光亮度也会逐渐变强，故 LED属于电流控制性半导体器件，其光亮度L（单位为cd/m2）与正向电流IF近似的成正比关系：L=kImF（1）式（1）中，k为比例系数，在小电流范围内（IF=1～10 mA，m=1.3～1.5。当IF>10 mA时，m=1，上式可简写为：L=kIF（2）图2明暗视觉下光谱效率函数

Fig.2Spectrum efficiency function for

daylight and darkness即LED的光亮度与正向电流成正比。在使用LED时，应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF。这样既保证亮度适中，也不会因为电流过大而损坏LED。正因为电流对LED的亮度有直接的影响，所以LED主要采用恒流驱动。

1.2光通量的测量国际照明委员会CIE定义LED光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分辐射通量为光通量Φv，单位为lm。与辐射通量的概念相比，它考虑了人眼对不同波长的可见光的光感受的不一致性，针对这种不一致性，CIE制定了光谱效率函数，它主要针对人眼对不同波长的单色光的灵敏度作了总结：在明视觉条件下（亮度为3 cd/m2以上），会接触人眼标准广度观测者光谱效率函数V（λ），它在555 nm上有最大值，此1 W辐射通量等于683 lm。反之，他们也定义了相关暗视觉条件，如下图2所示，V（λ）表示明视觉条件下的光谱效率函数，V′（λ）表示暗视觉条件下的光谱效率函数 [2] 。 明视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为：Φv=683∫780380ΦE（λ）V（λ）dλ（3）暗视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为：Φv=1 700∫780380ΦE（λ）V′（λ）dλ（4）为了更准确地测量光通量，经常会采用积分球这个装置，主要是在于尽可能多地将LED辐射的光收集起来，并通过球内的多次反射得到光照度均匀的光。

1.3发光强度发光二极管的发光强度取决于PN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1 lm）时，则称其发光强度为1 cd。从发光强度的概念中不难发现，该定义实际上要求光源为一个点光源，或者是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（这种要求通常被称为远场条件）。但是由于不同的LED，形状各有不同，而且通过对LED光线追迹可以发现，LED各个区域发出的光线有不同的聚焦点，因此LED不能作为点光源来描述，这给发光强度测量带来了困难。因此，CIE127文件对于LED发光强度的测量做出规定：照射在离LED一定距离处的光探测器上的光通量Φv与由探测器构成的立体角Ω的比值，其中立体角Ω可将探测器的面积s除以测量距离d的平方得到，即：I=ΦvΩ=Φvs/d2（5）由上式可知，除了光通量之外，LED发光强度也与所采用的探测器面积以及测量距离d的平方直接相关，为了有一个统一的参考标准，国际照明委员会（CIE 127-1997）在1997给出两种试行标准A和B。

表1发光强度测试的A和B测量条件

Tab.1Condition A and B for luminous intensity test

条件测量距离/

mm探测器面积/mm2

（直径/mm）立体角/

sr平面角/

radA316100（11.3）0.00120B100100（11.3）0.016.5

这两种标准都要求，所用的探测器有一个面积为1 cm2的（相应直径为11.3 mm）的圆入射孔径。A和B这两个测量条件并不严格按照发光强度的定义进行测量，因此，称为“平均发光强度”。目前国际上大部分实验室已同意A和B的测量条件[3]，见表1。

1.4LED的峰值波长λp、主波长λD和光谱半波宽Δλ峰值波长λp：在LED相对光谱能量曲线中，相对光辐射最强处所对应的波长称为峰值波长，它主要由半导体材料的带隙宽度决定。光谱半波宽Δλ：在LED相对光谱能量曲线中，相对光辐射能量为二分之一最大光辐射能量值处所对应的两个波长的差值称为光谱半波宽。它体现出了光谱的纯度，LED的发光光谱的半宽度一般为30～100 nm，光谱宽度窄意味着单色性好，发光颜色鲜明，清晰可见。主波长λD：任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与另一个参照光（如CIE标准光源A、B、C等，等能光源E，标准照明体D65等）相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长。

1.5显色指数光源的显色性指光源照射到物体上，由物体反射或投射后物体显示出的颜色效果，表征光源对物体颜色真实性的一个量，决定着光源的应用范围。CIE规定显色指数大于75的光源为优质光源，越接近于100，显色性越好；显色性在50～75的光源为显色性一般；显色性小于50的光源，显色性较差，物体在这一光源下会发生变色或失真[4]。

1.6色品坐标色坐标是以数字方式在坐标图上表示光源发光颜色的量，若知道光源的功率P（λ），就可以计算该光源在（X，Y）坐标系中的色坐标。最常用的色品图是CIE1931XYZ坐标系统，由色品图可知，RGB的LED能组合产生出白光。通过线性变换也能得到其他坐标系，如CIE1960（U，V）坐标系统。

1.7色温当某辐射体与绝对黑体在可见光区域具有完全相同的光谱功率分布时，绝对黑体的温度称为该辐射体的色温。在色度图上表现则是某一光源的色坐标（X，Y）位于色度图上的黑体迹线上，那么此黑体的绝对温度即定义为该光源的色温。但是在实际操作中，发现有很多光源的色度坐标并不能完全落在黑体迹线上，因此就引出相关色温的概念。即在色度图上，和某一光源的色度坐标点相距最近的那个黑体的绝对温度就定义为该光源的相关色温。在LED产品中，色温是一项较为重要的参考指标，不同的色温给人们的心理和生理带来不同的影响。大功率照明LED中常用的色温规格有3 000 K，4 000 K，5 000 K，根据不同的照明场合需求进行选择。图3LED特性测量系统原理图