發(fā)光二極管峰值波長偏移對色度的影響

王　瑗，潘　葳，徐如鳳，周　紅，王錦輝

(上海交通大學 物理與天文系，上海 200240 )

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發(fā)光二極管峰值波長偏移對色度的影響

王瑗，潘葳，徐如鳳，周紅，王錦輝

(上海交通大學 物理與天文系，上海 200240 )

摘要：利用可調(diào)恒流源控制彩色LED發(fā)光，采用多道光譜儀測量LED的光譜特性，得到峰值波長隨工作電流的變化產(chǎn)生的偏移，并計算了由此而引起的色度值變化．

關鍵詞：發(fā)光二極管；峰值波長偏移；色度學

1引言

大學物理實驗課是國內(nèi)理工科院校學生的基礎實驗課,但隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和信息技術(shù)在各個領域的完全滲透,也要求它緊貼時代脈搏,有所創(chuàng)新. 目前,彩色半導體發(fā)光二極管(LED)的研究及開發(fā)技術(shù)發(fā)展迅速,由于制造成本的不斷降低和在應用中控制技術(shù)的日益完善,使它在當今社會各領域的應用非常廣泛并占據(jù)了相當重要的地位,這更使得有關其彩色計量科學的色度學研究的重要性日漸突出． 近年來國內(nèi)大多數(shù)高校都在大學物理實驗中開設了對半導體二極管(包括LED)這一典型的非線性元件進行伏安特性測量[1]及對彩色發(fā)光二極管LED進行光譜測量的實驗,個別高校還利用彩色發(fā)光二極管LED做了測量其色度的實驗[2]. 本實驗在以上實驗的基礎上,彩色LED通電后正常工作時,測量分析光譜譜線隨工作電流(或電壓)的變化產(chǎn)生漂移的情況及由此而引起的色度值變化[3].

2實驗設計

2.1　實驗原理

發(fā)光二極管是用半導體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管. 其發(fā)光機理是在PN結(jié)內(nèi)注入正向電流時,注入的非平衡載流子(電子-空穴對)在擴散過程中復合時會把多余能量以光的形式釋放出來輻射發(fā)光[4]. 制作中所用材料不同,發(fā)光波長也不同,對人眼產(chǎn)生的彩色刺激感覺也不同. 研究它的光譜色并對其顏色進行準確定位成為當前研究的重要內(nèi)容.

當LED外加的電流或電壓遠遠超過其額定工作值時,其光譜色會發(fā)生明顯偏移,出現(xiàn)明顯藍移或紅移,甚至造成器件損壞；當LED的工作時間已經(jīng)很長,壽命變短時也會使光譜色發(fā)生偏移. 這些內(nèi)容都不在此次實驗設計研究的范圍內(nèi). 由于大學物理實驗學時和實驗內(nèi)容等條件的限制,實驗中只讓學生研究LED外加正常工作電流(0~25 mA)情況下的光譜特性及光譜色偏移情況,這不僅與LED在應用中的工作情況比較接近,還起到拋磚引玉的作用，為以后的進一步研究打下基礎. 本實驗主要內(nèi)容有LED工作電路、光譜測量及色度值計算等.

實驗研究中用到的色度學是研究人眼彩色視覺的定性和定量規(guī)律及應用的科學. 彩色光的基本參量有明亮度、色調(diào)和飽和度,它們分別反映了光作用于人眼時引起的明亮程度感覺,物體透射或反射的光的光譜成分及彩色光所呈現(xiàn)顏色的深淺或純潔程度,色調(diào)和飽和度又稱為色度. 根據(jù)色度學理論,任何顏色的光都可以被分解為3個對人眼的顏色刺激值X,Y和Z. 采用國際色度學系統(tǒng)——1931CIE-XYZ系統(tǒng)[5-6]對彩色光的顏色三刺激值和色坐標進行計算.

為此首先要對彩色LED的發(fā)光光譜進行測量. 實驗使用光學多通道光譜儀測量光譜. 由于光譜儀對不同光波長的響應能力不同,必須對光譜儀進行校準. 在實際測量中選用與CIE規(guī)定的色溫為2 856 K的色度學標準A[7]光源光譜最接近的鹵素螺旋鎢絲燈為標準光源A 進行校準.方法是在與待測的彩色光相同的測量條件下,測出標準光源A的相對功率SA測(λ)及待測光源C的相對功率SC測(λ)，代入

(1)

求出待測光源的光譜功率分布SC(λ)[5], 其中準光源A的光譜功率分布SA(λ)的相對值取自文獻[8]． 將求出的SC(λ)代入

(2)

(3)

色度坐標為

(4)

其中x,y,z色度坐標分別相當于色光中紅原色、綠原色和藍原色的比例. 因此如果能計算出彩色LED的色度坐標x和y就可以在色度圖中明確地標定出它的顏色特征.

2.2　實驗裝置及實驗方法

實驗測量裝置的基本框圖如圖1所示.

圖1　光譜特性測量裝置的基本框圖

實驗測量裝置主要由多通道光譜儀、CCD接收單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機組成,光譜測量范圍為300~900 nm, 波長精度≤±0.4 nm, 分辨率優(yōu)于0.2 nm.實驗選用高亮度LED,利用可調(diào)恒流源Is精確地控制LED發(fā)光,R為過流保護電阻，采用多通道光譜儀實時測量LED的光譜特性.

由于被測光源LED的發(fā)光面是圓蓋形狀的，光分布很特殊，測量距離不同、接收器接收面積不同都會使光強值發(fā)生變化. 為了提高測量精度，實驗測量中要先將LED按圖1中電路連接好，在光譜儀的光強測量范圍內(nèi),調(diào)整好LED與測量儀器的方位、距離及光譜儀進光的狹縫大小,并給予固定.

測量時用高壓汞燈對光譜儀定標，再測量標準A光源的光譜,然后測量LED光譜強度分布.實驗中緩緩增大LED工作電流，觀察譜線變化，保存不同工作電流時光譜強度分布的數(shù)據(jù).

3實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

實驗以高亮度藍光LED為例進行測量分析. 藍光LED的無機半導體材料主要是GaN/InGaN， 峰值波長約為467 nm, 譜線半峰全度約為26 nm，光譜功率分布近于高斯分布，是很好的窄帶光譜. 圖2是標準光源A的測量和標準相對光譜功率SA測(λ)和SA(λ)曲線圖,圖3是藍光LED相對光譜強度分布隨電流變化圖,圖4是藍光LED峰值波長與外加正向電流間的關系.

從圖3~4中可以看出藍光LED峰值波長λp隨外加工作電流 (0～25 mA) 出現(xiàn)微小的譜線藍移,向短波方向移動幅度近10 nm，這與實驗所選藍光LED的Ⅲ族氮化物半導體材料的極化效應有關. 由于Ⅲ族氮化物半導體材料在LED中的纖鋅礦晶格結(jié)構(gòu)缺少變換對稱性所產(chǎn)生的自發(fā)極化以及GaN和InGaN晶格常量不匹配產(chǎn)生的壓電極化致使量子阱內(nèi)部存在很強的內(nèi)電場,該內(nèi)電場將阻止載流子的注入,但隨著工作電流的不斷加大,使多量子阱區(qū)的自由載流子增加，屏蔽了部分內(nèi)電場,使量子阱中基態(tài)升高,致使藍光LED峰值波長λp向短波方向發(fā)生移動[9].

圖2　標準光源A的測量和標準相對光譜功率

圖3　藍光LED相對光譜強度分布隨電流變化

圖4　藍光LED峰值波長與外加正向電流的關系

把以上測量數(shù)據(jù)代入式(1)~(4)中，計算出不同工作電流時LED各條光譜所對應的色坐標值，見表1. 在圖5的色度圖中分別標出它們的色坐標位置點,圖5所用CIE-1931色度圖取自參考文獻[10] ,由于是測量同一LED, 各個色坐標點位置比較靠近,圖中的點和線作得都比較小、比較細,但能看清楚圖中的各點及其之間的關系,由于表1中有些點的位置是重合的,在圖5不重復標注. 用折線ADEFH按工作電流逐漸增大的方向連接所標注的各主要色坐標點, 折線只表示了這些點間的先后順序關系. 在色度圖上看到的對顏色的描述更加準確形象[11].

表1　不同工作電流時LED各條光譜所對應的色坐標值

色度圖上某一點處光譜的顏色就是該點的色調(diào),該點離開白光區(qū)C點至光譜軌跡的距離表明它的色純度，即飽和度. 該點越靠近C點顏色越不純，越靠近色度圖邊緣的光譜軌跡顏色越純. 從圖5上標出的折線ADEFH點的位置來看, 在藍光LED剛開始導通工作的折線ADE段，電流在0.62～8 mA之間,色坐標位置變化相對大些, 色純度在減小;在工作穩(wěn)定后的折線EFH段，工作電流在8～25 mA之間,色坐標雖然在藍移,但變化很小很緩慢,色純度在增大.

圖5　不同工作電流時藍光LED光譜色　在CIE-1931色度圖中位置

4結(jié)束語

利用基礎實驗緊密聯(lián)系市場實際開發(fā)了創(chuàng)新型綜合性設計實驗，由于該實驗數(shù)據(jù)處理量較大,因此本文只對彩色發(fā)光二極管中的藍光LED進行了測量計算,實際實驗中學生可以很靈活地選擇各種顏色的發(fā)光二極管進行測量. 通過該實驗

學生對LED的發(fā)光控制、光譜測量方法及色度計算都有了比較清楚的認識，既擴展和豐富了物理實驗的內(nèi)容，又充分調(diào)動了學生參與實驗的積極性和主動性，具有很好的通用性及實用性.

參考文獻：

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[10]Gaga S, Evans D, Hodapp M W, et al. Optoelectronics manual [M]. New York: McGraw Hill, 1977.

[11]王瑗,黃耀青,楊文明,等. 基于發(fā)光二極管和導光板的彩色光源色度的測量 [J]. 大學物理,2005,24(9):50-54.

[責任編輯：任德香]

Experimental design of measuring the effect of peak wavelength shift of LED on chrominance

WANG Yuan, PAN Wei, XU Ru-feng, ZHOU Hong, WANG Jin-hui

(Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:LED’s lighting was controlled by adjustable constant current source. The LED’s spectra were measured by multichannel spectrometer. The peak wavelength shift of colored LED induced by the normal working current was obtained, and the corresponding variation of the chrominance was calculated.

Key words:light emitting diode; peak wavelength shift; colorimetry

中圖分類號：O433.1；O432.3

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)02-0008-04

作者簡介：王瑗(1963-)，女，江蘇常州人，上海交通大學物理系高級工程師，碩士，從事物理實驗教學研究與儀器開發(fā)工作．

收稿日期：2014-06-20；修改日期：2014-08-27

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文