单色LED光学特性的测量与研究

徐一清，吕卫君，周国泉，戴朝卿

(浙江农林大学 理学院，浙江 临安 311300)

单色LED光学特性的测量与研究

徐一清，吕卫君，周国泉，戴朝卿

(浙江农林大学 理学院，浙江 临安 311300)

文中设计了LED光源谱线宽度测试实验。利用WGD-6型光学多道分析仪和TS-100A光纤光谱仪两套实验装置对红、黄、绿、蓝、紫等5种不同颜色LED光源的波长、相干长度和谱线宽度作了对比性测量。实验结果表明，LED光谱功率分布近于高斯分布，是很好的窄带光谱；5种单色LED光谱的半强度宽度均≤36.47 nm，光谱纯度较好，其中绿光LED的半强度宽度最大，紫光LED的半强度宽度最小，表明紫光的单色性最好。两种测试方法的结果是相吻合的，与厂家标称值基本一致。

发光二极管；谱线宽度；光学多道分析仪；光纤光谱仪

发光二极管(light-emitting diode，LED)被称为第4代照明光源，是21世纪最有发展前景的新型光源。由于LED的发光强度高、功耗低、可靠性高、易于调光调色、小巧、绿色环保等优点，已被广泛应用于照明、显示、温室补光等领域[1-2]。随着LED生产技术的发展，市场上已出现了红、橙、黄、绿、蓝等各种颜色的LED产品。为了进一步促进LED生产质量的提高和推广应用，对LED光学特性参量的测量研究显得越来越重要和迫切[3]。本文利用光学多道分析仪，对市面上销售的红、黄、绿、蓝和紫等5种单色LED在额定工作电流下的波长、光谱峰值、光谱宽度等光学参量进行了测量和研究，同时利用积分球、光纤探头、光纤光谱仪、计算机等设备设计LED光谱测试装置，进行对比性实验。

1 测量原理与实验装置

1.1 LED相关参量的定义

1)峰值波长

峰值波长指光谱发光强度或辐射功率最大处所对应的波长。

2)谱线宽度

光波的相干长度与光源发出的光波的谱线的单色性有关。由于实际的发光原子都处于不断的热运动中，根据多普勒效应可知，跃迁辐射的单色光不可能只有单一波长(或频率)，总有一定的波长范围Δλ或频率范围Δν。Δλ被称为谱线宽度。如果中心波长所在处光强为I0，通常把强度降为

处的波长范围Δλ作为谱线宽度。Δλ越小，其单色性越好[4-5]。

1.2 光学多道分析仪测量系统与调试

光学多通道分析仪(opticalmultichannelanalyzer，OMA)是一种采用多通道快速检测和显示微弱光谱信号的电子光学仪器，能方便地给出各种待测光谱的光谱曲线和光谱数据，可用于快速光谱分析及各种光谱研究。本实验采用天津港东科技发展股份有限公司生产的WGD-6型光学多道分析仪[6]，该仪器由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元和计算机组成，集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，可用于分析300～900nm的光谱。LED光谱特性测量装置示意图如图1所示，在LED驱动电路中，用直流稳压电源进行供电，开关和电位器用于控制单色LED的亮灭和强度，毫安表用于测量LED的驱动电流。光学多道分析仪的入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度为0～2mm且连续可调。LED在额定电流驱动下发出的光束进入入射狭缝S1，通过M1反射的光束经M2反射后成为平行光束投向光栅摄谱仪G。光栅摄谱仪采用反射式平面闪烁光栅作色散元件，拍摄原子或分子光谱。经G衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2上。M2和M3的焦距均为302.5mm，光栅G刻线600 条/mm，闪耀波长550nm。

M1：反射镜；M2：准光镜；M3：物镜；M4：转镜；G：平面衍射光栅；S1：入射狭缝；S2：观察窗或出射狭缝图1 光学多道分析仪测量LED光谱特性示意图

利用光学多道分析仪测量LED光谱特性有如下4个步骤。

1)消除背景光的影响。打开计算机及光学多道分析仪，点击计算机系统桌面的“WGD-6”快捷键，启动WGD-6控制处理系统。点击工具栏的“运行”，在下拉菜单中点击“实时采集”；采集结束，单击工具栏下“停止”。点击工具栏的“运行”，在下拉菜单中点击“背景记忆”，运行1～2s后弹出采集背景结束对话框，点击“确定”，背景采集结束。

2)用汞灯的发射光谱对光学多道分析仪定标[7]。用以定标的汞灯发射谱线数据如下：红光区的定标起始波长为574nm，定标发射谱线分别是576.96nm，578.97nm和730.96nm；蓝紫光区的定标起始波长为400nm，定标发射谱线分别是404.67nm，435.83nm和546.07nm。

3)调节直流稳压电源输出电压和电位器，使毫安表电流读数为LED额定工作电流(10～20mA)。

4)通过调节LED前的汇聚透镜，使LED光斑聚焦在光学多道分析仪的入射狭缝中间；通过调节入射光狭缝大小和移动光源减少光照，使图像尖锐。调整好之后，点击工具栏下的“停止”，实时采集完毕。在完成实时采集之后，对光谱图进行寻峰。

1.3 光纤光谱仪测量系统与调试

近几年出现的光纤光谱仪具有体积小、测量速度快等优点，用其进行LED光谱测量是研究的趋势和热点。光纤光谱仪测量LED光谱特性实验装置如图2所示，主要包含LED驱动电路、积分球和光谱数据采集与处理三个部分[8]。在LED驱动电路中，用直流稳压电源进行供电，开关和电位器用于控制LED的亮灭和强度，毫安表用于测量LED的驱动电流；积分球用于对LED发出的光进行光谱和强度平均，使色度测量更加准确，LED从入射孔置于积分球内，在出射孔处可以观察或测量LED的颜色；光谱数据用光纤光谱仪(含计算机)进行采集和处理，最终计算出LED的色度。

图2 光纤光谱仪测量LED光谱特性示意图

系统中使用的积分球直径为0.3m，光纤光谱仪型号为TS-100A，波长测量范围为380～1 100nm，光谱分辨率优于0.4nm。

利用光纤光谱仪测量LED光谱特性的测量有如下3个步骤。

1)鼠标左键双击桌面上“Spectrum”图标，启动软件，先测量背景光并保存。

2)点亮LED，并调节直流稳压电源输出电压和电位器R使LED工作于额定电流。实时测量LED光谱数据，并按下“减扣背景光”按钮，在光谱图中自动减去已经测量和保存的背景光(波长定标工作在光谱仪出厂前已经完成，不需要擅自改变)。

3)通过调节LED电流和移动光源减少光照，使图像尖锐。调整好之后，点击工具栏下的“停止”，实时采集完毕。

2 实验结果与分析

2.1 LED试件参数

本实验中用的LED为浙江彩虹光电有限公司生产的超高亮草帽型封装LED，具体参数见表1。

表1 LED主要光色电参数

2.2 光学多道分析仪测试数据

现以蓝光LED为例，采用SigmaPlot软件处理实验数据，可以得到其光谱特性曲线，如图3所示。从图3可知，蓝光LED的发光光谱在半强度波长为452.20nm和477.25nm时，其光谱的半强度宽度Δλ约为25.05nm，峰值为463.61nm，光谱功率分布近于高斯分布，是很好的窄带光谱。对各种不同颜色的发光二极管的峰值波长和半波长测量的结果见表2。

图3 蓝光LED光谱分布图

将光学多道分析仪测量所得的5个不同颜色LED光谱数据文件(txt格式，每个文件含2 048个数据，下同)导入SigmaPlot软件，将相对光强进行归一化处理，在同一坐标系中的光谱图如图4所示。

表2 光学多道分析仪测量的各种颜色LED的峰值波长和半波长(t=22.0 ℃) nm

图4 光学多道分析仪测得LED光谱分布图

2.3 光纤光谱仪测试数据

以红光LED为例，光纤光谱仪测试系统得到的光谱特性曲线截图如图5所示。利用软件寻峰读出其峰值为633.27 nm，红光LED的发光光谱在半强度波长为620.70 nm和641.80 nm时，其光谱的半强度宽度Δλ约为21.1nm，光谱功率分布近于高斯分布，是很好的窄带光谱。对各种不同颜色的发光二极管的峰值波长和半波长测量的结果见表3。

图5 红光LED光谱分布图

表3 光纤光谱仪测量的各种颜色LED的峰值波长和半波长(t=22.0 ℃) nm

将光纤光谱仪测量所得的5个不同颜色LED光谱数据文件导入SigmaPlot软件，将相对光强进行归一化处理，在同一坐标系中的光谱图如图6所示。

图6 光纤光谱仪测得LED光谱分布图

2.4 数据分析

对比光学多道分析仪和光纤光谱仪的光谱测试数据可知，两种测试方法的结果是相吻合的。5种单色LED光谱的半强度宽度均≤36.47 nm，光谱纯度较好。其中绿光LED的半强度宽度最大，紫光LED的半强度宽度最小，表明紫光的单色性最好。光学多道分析仪测量的谱线峰值波长比光纤光谱仪测量的数据整体偏大，但与出厂标称值基本相符，说明两种方法测量的精度均较高。

从图4和图6中可观察到光纤光谱仪测出的曲线较为平滑，波峰尖锐，一致性较好；而光学多道分析仪测出的曲线噪音较大，对称性较差。其原因是光纤光谱仪测量系统通过光纤导入信号，内部没有移动部件，扫描速度快，可靠性高，波长重复性好。相对而言，光学多道分析仪影响光谱质量因素较多，手动定标、狭缝宽度调节等均会造成测量误差。

3 结束语

通过光学多道分析仪和光纤光谱仪分别测量了5种单色LED光源的波长、相干长度、谱线宽度，而对比实验数据验证了两种方法的可行性。本实验内容涉及辐射学、光电检测、LED照明、数据处理软件等多门课程，需要多门学科的知识。实验前期的调试准备工作及实验的实施过程，将理论知识与实践相结合，使学生丰富了知识，开阔了视野，加深了学生对知识的掌握，提高了学生的动手能力，同时又增加了工程实践经验。

[1]周国泉，徐一清，付顺华，等．温室植物生产用人工光源研究进展[J].浙江林学院学报，2008，25(6)：798-802．

[2]曲溪，叶方铭，宋杰琼，等．LED灯在植物补光领域的效用探究[J].灯与照明，2008，32(2)：42-45．

[3] 李秀梅，吴群勇，肖韶荣．发光二极管的光电特性测试实验[J].物理实验，2013，33(12)：1-4．

[4]吴柳．大学物理学(下册)[M].北京：北京交通大学出版社，2009．

[5] 杨胡江，王鑫，谢仪伦，等．发光二极管电光特性及其应用[J].物理实验，2013，33(1)：43-45．

[6]赵丽华，戴朝卿．大学物理实验[M]北京：中国农业出版社，2013．

[7]刘畅，王世才，卢东昱．利用光学多通道分析仪与分光光度计测定叶绿素的紫外-可见光区吸收光谱[J].物理实验，2005，25(12)：38-41．

[8] 钱惠国．红绿蓝三色LED调色特性的实验研究[J].实验科学与技术，2015，13(1)：27-30．

Measurement and Research on the Optical Properties of LED

XU Yiqing, LÜ Weijun,ZHOU Guoquan, DAI Chaoqin

(School of Sciences, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China)

Based on a WGD-6 optical multichannel analyzer and a TS-100A fiber spectrometer, two kinds of experiment systems were designed to test the optical properties of 5 kinds of different colors LED (such as red, yellow, green, blue and violet), including the wavelength, the coherent length and the spectral linewidth of LED light source. The results show that the measured LED spectral power distribution approximates to Gaussian distribution and it is a typical narrow spectrum. The half-intensity width of 5 kinds LED is all less than or equal to 36.47 nm, so the LED’s spectral purity is good. The half-intensity width of green light LED is the largest and the violet light LED’s is minimum, so the mono=chromaticity of violet light is the best. The measurement results of the two methods show that they are in agreement and the test data is nominal with manufacturer.

LED; spectral width; optical multichannel analyzer; fiber spectrometer

2015-06-09；修改日期:2015-06-23

浙江农林大学实验室管理与改革项目(SYB1 212)；浙江省教育厅科研项目(Y201225628)。

徐一清(1981-)，男，实验师，主要从事大学物理实验教学工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.013