一種用于LED 特性檢測的實驗儀器的研究＊

張 倩，張學典，常 敏，毛辰飛

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

隨著半導體技術的快速發展，LED 在各種光電器件，自動化設備，家用電器，信號指示燈以及照明行業等方面獲得了極為廣泛的應用。特別是照明行業，伴隨著高亮度的白光LED 的問世，使LED 代替傳統白熾燈乃至節能燈成為可能。LED 的節能性，無污染性被廣泛認可。只有掌握好了二極管基本物理特性，才能更好地研制和應用二極管。為了在實驗中更加清楚地認識和掌握LED 的結構，發光原理以及光電特性，提出一種能夠直觀測量LED 包括正向電流、光通量、主波長、色坐標以及色溫等一系列光電特性的檢測裝置系統。該系統采用非對稱的Czerny－Turner結構，體積小，便于攜帶，通過各類器件的選定，可以達到多波段的光譜測量的要求。

1 LED的主要光電特性以及測試原理

LED 是一種電致發光的器件，其核心是PN 結，它由半導體構成，具有反向截止、擊穿，正向導通的特性。不同的半導體材料可以制成不同顏色的LED，且發光的強弱與注入電流有關［1］。同時LED 的芯片，外形結構，封裝技術等也是影響LED 的各種光學特性的原因。LED 的光電參數主要為伏安特性、光通量、發光強度、峰值波長、主波長、色坐標、顯色性及相關色溫。

1.1 LED 的伏安特性

當正向電壓低于閾值時，正向電流較小，LED 不發光；當正向電壓增加到超過閾值電壓后，正向電流隨電壓的增加迅速增加，有指數增長的趨勢。不同材質不同顏色的LED，其閾值電壓，伏安特性也會稍有不同。圖1 為一綠光LED 的U－I 特性圖：

隨著通過的正向電流增大，LED 的光亮度也會逐漸變強，故LED 屬于電流控制性半導體器件，其光亮度L（單位為cd／m2）與正向電流IF近似的成正比關系：

式（1）中，k為比例系數，在小電流范圍內（IF＝1～10mA，m＝1.3～1.5。當IF＞10mA 時，m＝1，上式可簡寫為：

即LED 的光亮度與正向電流成正比。在使用LED 時，應根據所要求的顯示亮度來選取合適的IF。這樣既保證亮度適中，也不會因為電流過大而損壞LED。正因為電流對LED 的亮度有直接的影響，所以LED 主要采用恒流驅動。

1.2 光通量的測量

國際照明委員會CIE定義LED 光源發射的輻射通量中能引起人眼視覺的那部分輻射通量為光通量Φv，單位為lm。與輻射通量的概念相比，它考慮了人眼對不同波長的可見光的光感受的不一致性，針對這種不一致性，CIE制定了光譜效率函數，它主要針對人眼對不同波長的單色光的靈敏度作了總結：在明視覺條件下（亮度為3cd／m2以上），會接觸人眼標準廣度觀測者光譜效率函數V（λ），它在555nm 上有最大值，此1W 輻射通量等于683lm。反之，他們也定義了相關暗視覺條件，如下圖2所示，V（λ）表示明視覺條件下的光譜效率函數，V′（λ）表示暗視覺條件下的光譜效率函數［2］。

明視覺條件下，輻射量向光通量的轉化表達式可以表示為：

暗視覺條件下，輻射量向光通量的轉化表達式可以表示為：

圖2 明暗視覺下光譜效率函數Fig.2 Spectrum efficiency function for daylight and darkness

為了更準確地測量光通量，經常會采用積分球這個裝置，主要是在于盡可能多地將LED 輻射的光收集起來，并通過球內的多次反射得到光照度均勻的光。

通過拍照和Image J圖像處理軟件[26]，測定土壤表面(1 m×1 m)覆蓋的各露石尺寸和面積，具體的工作流程見圖1。嵌入土體的不影響土表平整的石體則以土體內部碎石計算[27]。小于5 mm的巖石碎片被認為與沙子具有相同的物理性質[28]，而且受圖像分辨率的限制，5 mm以下的碎石在圖像中不易辨別，因此巖石尺寸的下限設定為5 mm。巖石粒度分類標準為：5～20 mm，20～75 mm，75～250 mm，250～600 mm和大于600 mm。

1.3 發光強度

發光二極管的發光強度取決于PN 結中輻射型復合機率與非輻射型復合機率之比，通常是指法線方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度為（1／683）W／sr（即一單位立體角度內光通量為1lm）時，則稱其發光強度為1cd。從發光強度的概念中不難發現，該定義實際上要求光源為一個點光源，或者是光源的尺寸和探測器的面積與離光探測器的距離相比足夠小（這種要求通常被稱為遠場條件）。但是由于不同的LED，形狀各有不同，而且通過對LED 光線追跡可以發現，LED 各個區域發出的光線有不同的聚焦點，因此LED 不能作為點光源來描述，這給發光強度測量帶來了困難。因此，CIE127文件對于LED 發光強度的測量做出規定：照射在離LED 一定距離處的光探測器上的光通量Φv與由探測器構成的立體角Ω 的比值，其中立體角Ω 可將探測器的面積s除以測量距離d 的平方得到，即：

由上式可知，除了光通量之外，LED 發光強度也與所采用的探測器面積以及測量距離d 的平方直接相關，為了有一個統一的參考標準，國際照明委員會（CIE 127－1997）在1997給出兩種試行標準A 和B。這兩種標準都要求，所用的探測器有一個面積為1cm2的（相應直徑為11.3mm）的圓入射孔徑。A 和B 這兩個測量條件并不嚴格按照發光強度的定義進行測量，因此，稱為“平均發光強度”。目前國際上大部分實驗室已同意A 和B的測量條件［3］，見表1。

1.4 LED 的峰值波長λp、主波長λD 和光譜半波寬Δλ

峰值波長λp：在LED 相對光譜能量曲線中，相對光輻射最強處所對應的波長稱為峰值波長，它主要由半導體材料的帶隙寬度決定。

光譜半波寬Δλ：在LED 相對光譜能量曲線中，相對光輻射能量為二分之一最大光輻射能量值處所對應的兩個波長的差值稱為光譜半波寬。它體現出了光譜的純度，LED 的發光光譜的半寬度一般為30～100nm，光譜寬度窄意味著單色性好，發光顏色鮮明，清晰可見。

主波長λD：任何一個顏色都可以看作為用某一個光譜色按一定比例與另一個參照光（如CIE標準光源A、B、C等，等能光源E，標準照明體D65等）相混合而匹配出來的顏色，這個光譜色就是顏色的主波長。

1.5 顯色指數

1.6 色品坐標

色坐標是以數字方式在坐標圖上表示光源發光顏色的量，若知道光源的功率P（λ），就可以計算該光源在（X，Y）坐標系中的色坐標。最常用的色品圖是CIE1931－XYZ坐標系統，由色品圖可知，RGB的LED能組合產生出白光。通過線性變換也能得到其他坐標系，如CIE1960（U，V）坐標系統。

1.7 色溫

當某輻射體與絕對黑體在可見光區域具有完全相同的光譜功率分布時，絕對黑體的溫度稱為該輻射體的色溫。在色度圖上表現則是某一光源的色坐標（X，Y）位于色度圖上的黑體跡線上，那么此黑體的絕對溫度即定義為該光源的色溫。但是在實際操作中，發現有很多光源的色度坐標并不能完全落在黑體跡線上，因此就引出相關色溫的概念。即在色度圖上，和某一光源的色度坐標點相距最近的那個黑體的絕對溫度就定義為該光源的相關色溫。在LED 產品中，色溫是一項較為重要的參考指標，不同的色溫給人們的心理和生理帶來不同的影響。大功率照明LED 中常用的色溫規格有3 000K，4 000K，5 000K，根據不同的照明場合需求進行選擇。

表1 發光強度測試的A和B測量條件Tab.1 Condition A and B for luminous intensity test

2 系統設計以及實現

圖3 LED 特性測量系統原理圖Fig.3 Principle diagram for LED property test system

微型光纖光譜儀測量LED 特性系統原理框圖如圖3所示：

系統的工作原理：恒流驅動為LED 提供穩定的直流電流，同時也可以顯示出當前穩定電流的大小以及LED 兩端電壓的大小，它保證了LED 在特定的恒電流下正常發光，同時，也可以完成對LED 的伏安特性的觀測。積分球上有一個開端小圓孔，LED 燈可插入此圓孔進入積分球內，即LED 的光進入了積分球內，積分球的另一端有一個連接SMA905光纖，LED 光通過光纖由光纖光譜儀上的狹縫進入光纖光譜儀，然后再經過準直分光聚焦后到CCD 探測器上，CCD 將得到的光譜進行由光信號轉換為電信號，再將電信號A／D 轉換，進入計算機處理，將光譜以圖譜形式顯示，并計算出相應的光學特性參數。

2.1 LED 恒流驅動模塊

其簡化模型如圖4所示，電流以及電壓示數可讀。該模塊主要負責對LED 燈驅動，以及實時監測LED 燈的電流電壓值，完成LED 的U－I 特性的檢測。同時也可計算出LED 消耗的電功率，為其發光效率的計算奠定基礎。

2.2 積分球模塊

光纖光學積分球是通過一個0.375′的入口將光導入并匯集到光纖上的光學實驗裝置（見圖5）。它是一個球形空腔，由內壁涂有均勻的白色漫反射層（硫酸鋇或氧化鎂）的球殼組裝而成，被測LED 置于空腔內。LED 器件發射的光輻射經積分球壁的多次反射，使整個球壁上的照度均勻分布。這里選擇將LED的點燃位置設定在積分球內壁而非中心，它不僅可以避免LED 工作中溫升所帶來的光通量下降問題，而且LED 點燈裝置的外置盡可能滿足了積分球原理，將點燈裝置的自吸收降到了最低。同時由于光源與探測器在同一平面內成90°放置，因此幾乎不會有LED 的光直接攝入探頭，擋屏也不再需要了，從而進一步滿足了積分球的原理，提高了LED 光通量測量的精確度［5］。

圖4 LED U－I 特性測試電路圖Fig.4 U－I electricity property test for LED

圖5 積分球結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of integrated sphere structure

2.3 光纖光譜儀模塊

光譜儀采用非對稱交叉式Czerny－Turner分光結構，如圖6非對稱交叉式Czerny－Turner分光結構所示，這種結構既能縮小光譜儀的整體尺寸，又能使狹縫、光柵、準直物鏡與光譜像面的位置在空間上不會產生干涉作用。還可以在有限的空間內增長光線的光程，從而提高微型光譜儀光學系統的分辨率和色散能力［6］。同時非對稱交叉式Czerny－Turner分光結構還可以保證光纖的色散發生在光柵的主截面內，反射鏡不存在色差，容易得到更平直的光譜成像譜面，適應更大的光譜范圍。該結構的主要構件有SMA905光纖接頭、狹縫、準直反射鏡，閃耀光柵和CCD。狹縫寬度根據光譜儀的分辨率來確定，光束經狹縫后照射到準直反射鏡A 準直成平行光束投射到閃耀光柵上，光柵將光束中不同頻率的成分衍射出來，由聚焦反射鏡將不同波長的光匯聚到CCD 芯片的不同位置，CCD 芯片將探測到的光信號轉換為相應的電壓信號，再由數據采集模塊采集處理與分析。

2.4 控制模塊

光纖光譜儀是一個帶有Cypress CY7C68013微型控制器，該微型控制器主要包括1個8051處理器，1個串行接口引擎SIE，1個USB收發器，8.5K 片上RAM，4KBFIFO 存儲器以及一個通用的可編程接口GPIF，它擁有一個獨特的架構，其中包括一個智能串行結構引擎SIE，它執行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU 解放出來以用于實現專用的功能，并保證其持續的高性能的傳輸速率。通過使用USB接口和應用環境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數據傳輸，但允許以FIFO 或RAM 的方式訪問這些共享FIFO 來實現，從而保證了光譜數據傳輸的不受微控制器本身工作頻率的影響而達到高速傳輸。微型光纖光譜儀以CY7C68013為控制核心，實現所有功能，其控制模塊原理圖如圖7所示。

圖6 非對稱交叉式Czerny－Turner分光結構Fig.6 Czerny－Turner beam splitter structure of asymmetric and intersection

圖7 LED 特性測試系統控制模塊原理圖Fig.7 Principle diagram of control module for LED property test

CCD 將光信號轉換為電信號，經過信號處理模塊的消噪濾波處理，再利用A／D 轉換將模擬信號轉換為數字信號進入MCU 微控制器。MCU 微控制器利用接口模塊來獲得PC 機的通信信息，進而按照PC機的通信指示來對光譜儀初始化，設置積分時間，獲得特定模式下的光譜數據。然后再通過接口模塊將光譜數據輸出到PC機，利用PC機上的各種對光譜數據的算法得出各項光學參數。

3 結 論

主要提出一種基于微型光纖光譜儀的LED 特性檢測實驗儀器的原理設計。較以往檢測設備而言，其具有體積小，測量范圍廣，分辨率高等優點。特別是LED 驅動電流可調可顯示的特點，通過測量不同電流下的LED 光學特性參數，可以直觀認識電流對LED 光學特性的影響。不足之處在于暫未考慮對LED 光強的測量，以及未涉及溫度的檢測。因為此類光譜儀設計的實現適用于小功率直插型LED，即溫度對光學特性非常有限的情況，若對溫度要求嚴格，可以采取對待測LED 粘接熱偶線的方法來實現。

［1］ 陳元燈.LED制造技術與應用［M］.北京：電子工業出版社，2007：3－6.

［2］ 吳繼宗，葉關榮.光輻射測量［M］.北京：機械工業出版社，1992：174.

［3］ 呂 正.LED光強測量中有待商榷的若干問題［J］.計量技術，2006，12（7）：23－26.

［4］ 何定邦.印刷色彩學［M］.長沙：國防科技大學出版社，2002：22.

［5］ 李文宜.測量LED總光通量的積分球裝置中光源位置的探討［J］.復旦學報（自然科學版），2007，46（3）：356－359.

［6］ 黃振宇.基于線陣CCD的小型光譜儀光度特性研究［J］.應用光學，2007，28（5）：564－568.