基于光纤光谱仪的LED 光学特性测试
2015-12-23张一超池超旦张利宏张洪伟
张一超， 池超旦， 龚 雪， 张利宏， 张洪伟， 金 立
(浙江理工大学 理学院，浙江 杭州310018)
0 引 言
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种可以将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件［1-2］。与传统光源比较，LED 具有节能、结构牢固、寿命长、环保、发光体接近点光源、发光响应时间快等优点，是一种符合绿色照明要求的光源。随着LED 产品质量的不断提高和成本的不断下降，LED 已成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品。
美国国家标准检测研究所(NIST)组织测试专家开展了LED 的测试研究，试图建立整套的LED 测试方法和技术标准［3-5］。日本成立了白光LED 测试研究委员会，专门研究照明用白光LED 的测试方法和技术标准。
本实验以海洋光学实验仪器(光谱仪、积分球、光纤、电源)搭建LED 光源特性测试平台，通过Spectra Suite 软件对LED 的光学特性数据获取与处理，分别测试了白光、红光、黄绿光、蓝绿光、黄光和蓝光LED 的光学特性。并对光谱仪USB2000 + 与USB650 Red Tide 测量结果作了对照分析。
1 实验原理
如图1，当LED 两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光［6-7］。
图1 LED 发光原理图
理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg(eV)，
式中:v 为电子运动速度;h 为普朗克常数;q 为载流子所带电荷;c 为光速;λ 为发光波长。
LED 的主要光学参数［8-11］有光谱分布曲线、辐射通量光通量ΦV、发光强度、峰值波长λp、半宽度FWHM、主波长λ0、色纯度和相关色温Tcp。
2 实验装置
2.1 海洋光学实验装置
本实验使用海洋光学公司的光纤光谱仪(USB2000 +与USB650 Red Tide)对LED 的光度学和色度学特性进行测量，使用Spectra Suite 软件来完成对数据的处理与实验结果分析［12-13］。实验装置示意图如图2 所示［14］，图3 为实验装置实物图。
图2 实验装置示意图
图3 实验装置实物图
2.2 实验步骤
(1)如图2 连接好实验平台;
(2)打开SpectraSuite 软件，打开LED 灯开关;
(3)根据向导，新建绝对辐射测量，选择新建光谱扫描;
(4)选择光谱仪，选择从文件中获得绝对补偿，并且选择相应的补偿文件;
(5)选择使用积分球;调整平滑度，设定合适的积分时间;
(6)关闭LED 灯开关，获得并保存暗光谱，再打开LED 灯开关;
(7)得到光谱分布曲线。
3 实验数据及其分析
3.1 光度学数据
分别使用USB2000 +与USB650 Red Tide 进行相关测量，得到发光强度光谱分布图和辐射通量光谱分布结果，对波峰处数据整理得到表1 和表2 数据。
就波峰处辐射通量而言，蓝光LED 最大，黄光LED 与黄绿光LED 明显小于其他颜色光LED。表1中波峰处波长即为各LED 的峰值波长。
通过对光谱数据的处理可以得到各个单色光LED 光强谱线的半宽度(以USB2000 + 为例):蓝光36. 45 nm，蓝绿光36. 15 nm，红光21. 35 nm，黄光39.49 nm，黄绿光32.25 nm。对于单色光光强谱线的半宽度，其值越小则此单色光的颜色越纯，即单色性越佳。红光LED 的半宽度值明显小于其他颜色光LED的半宽度值，所以红光LED 的单色性最好。
3.2 色度学数据
在SpectraSuite 软件中也可以获得LED 的色品图以及一些色度学数据，如:色品坐标、主波长、色温、显色指数等［15］。蓝光LED、红光LED 和蓝绿光LED 的色品图(使用USB2000 + 光谱仪)分别如图4 ～6 所示。
图4 蓝光色品图
图5 红光色品图
图6 蓝绿光色品图
在颜色数据中得到各种颜色光LED 的色品坐标(用USB2000 +光谱仪)整理如下:
白光LED(X，Y，Z)= (46. 16，41. 46，89. 59)，(x，y，z)=(0.260 5，0.233 9，0.505 6);
蓝光LED(X，Y，Z)= (13. 24，9. 31，83. 51)，(x，y，z)=(0.124 8，0.087 7，0.787 4);
蓝绿光LED(X，Y，Z)= (3. 68，21. 65，18. 49)，(x，y，z)=(0.083 9，0.494 1，0.422 0);
红光LED(X，Y，Z)= (8. 97，3. 84，0. 02)，(x，y，z)=(0.699 5，0.299 3，0.001 2);
黄光LED(X，Y，Z)= (0. 54，0. 43，0. 00)，(x，y，z)=(0.550 7，0.446 8，0.002 6);
黄绿光LED(X，Y，Z)= (0. 42，0. 56，0. 01)，(x，y，z)=(0.428 2，0.566 7，0.005 1)。
在本实验中，对于单色光LED 得到其色纯度(使用USB2000 +光谱仪)，如:蓝0.969，蓝绿0.834，红0.992，黄0.987，黄绿0.974。可见:红光LED 的色纯度为0.992，最大，即红光LED 的单色性最佳，这与根据光强谱线的半宽度所得到的结论一致。
也可以得到各种颜色光LED 的主波长(使用USB2000 +光谱仪):白475.6 nm，蓝473.4 nm，蓝绿498.9 nm，红625.6 nm，黄586.2 nm，黄绿567.7 nm。
3.3 光谱仪USB2000 +与USB650 Red Tide 对比
图7 和图8 是光谱仪USB2000 +与USB650 Red Tide 在辐射通量光谱分布图上的对比(以红光LED 和蓝光LED 为例)。图中:“1”代表使用光谱仪USB2000+;“2”代表使用光谱仪USB650 Red Tide，红色曲线为使用光谱仪USB2000 +的测量结果，蓝色曲线为使用光谱仪USB650 Red Tide 的测量结果。
由图可见，分别由光谱仪USB2000 + 和USB650 Red Tide 得到的光谱分布曲线整体接近重合，在波峰处有一定分离，峰值波长基本一致。
4 结 语
通过海洋光学公司的相关仪器(光谱仪、积分球、光纤、电源)搭建的LED 测试平台，以及运用SpectraSuite 软件获得和处理数据，分别得到白光、蓝光、蓝绿光、红光、黄光、黄绿光LED 的光学特性。整个实验方便，简单，准确，而且通过各种图表清晰直观地展示了LED 光度学与色度学性质，有助于学生加深对光度学和色度学相关概念掌握以及更好理解LED的结构和原理，揭示隐藏在表面现象下的物理学规律。通过LED 实验的结果表明，蓝光LED 波峰辐射通量最大，红光LED 单色性最好，红光的色纯度最大。
图7 红光LED 辐射通量光谱分布图及其局部放大(两光谱仪对比)
图8 蓝光LED 辐射通量光谱分布图及其局部放大(两光谱仪对比)
同时，本平台通过适当改装就可以得到其他应用，例如可以测试不同条件下LED 的光学特性或者测试其他光源特性等，便于开展深入研究，激发学生的科学探究兴趣。
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