基于光纖光譜儀的LED 光學特性測試

張一超， 池超旦， 龔 雪， 張利宏， 張洪偉， 金 立

(浙江理工大學 理學院，浙江 杭州310018)

0 引 言

發光二極管(Light Emitting Diode，LED)是一種可以將電能轉化為光能并具有二極管特性的電子器件［1-2］。與傳統光源比較，LED 具有節能、結構牢固、壽命長、環保、發光體接近點光源、發光響應時間快等優點，是一種符合綠色照明要求的光源。隨著LED 產品質量的不斷提高和成本的不斷下降，LED 已成為信息光電子新興產業中極具影響力的新產品。

美國國家標準檢測研究所(NIST)組織測試專家開展了LED 的測試研究，試圖建立整套的LED 測試方法和技術標準［3-5］。日本成立了白光LED 測試研究委員會，專門研究照明用白光LED 的測試方法和技術標準。

本實驗以海洋光學實驗儀器(光譜儀、積分球、光纖、電源)搭建LED 光源特性測試平臺，通過Spectra Suite 軟件對LED 的光學特性數據獲取與處理，分別測試了白光、紅光、黃綠光、藍綠光、黃光和藍光LED 的光學特性。并對光譜儀USB2000 + 與USB650 Red Tide 測量結果作了對照分析。

1 實驗原理

如圖1，當LED 兩端加上正向電壓，電流從LED陽極流向陰極時，半導體中的少數載流子和多數載流子發生復合，放出過剩的能量而引起光子發射，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光［6-7］。

圖1 LED 發光原理圖

理論和實踐證明，發光的波長或頻率取決于選用的半導體材料的能隙Eg(eV)，

式中:v 為電子運動速度;h 為普朗克常數;q 為載流子所帶電荷;c 為光速;λ 為發光波長。

LED 的主要光學參數［8-11］有光譜分布曲線、輻射通量光通量ΦV、發光強度、峰值波長λp、半寬度FWHM、主波長λ0、色純度和相關色溫Tcp。

2 實驗裝置

2.1 海洋光學實驗裝置

本實驗使用海洋光學公司的光纖光譜儀(USB2000 +與USB650 Red Tide)對LED 的光度學和色度學特性進行測量，使用Spectra Suite 軟件來完成對數據的處理與實驗結果分析［12-13］。實驗裝置示意圖如圖2 所示［14］，圖3 為實驗裝置實物圖。

圖2 實驗裝置示意圖

圖3 實驗裝置實物圖

2.2 實驗步驟

(1)如圖2 連接好實驗平臺;

(2)打開SpectraSuite 軟件，打開LED 燈開關;

(3)根據向導，新建絕對輻射測量，選擇新建光譜掃描;

(4)選擇光譜儀，選擇從文件中獲得絕對補償，并且選擇相應的補償文件;

(5)選擇使用積分球;調整平滑度，設定合適的積分時間;

(6)關閉LED 燈開關，獲得并保存暗光譜，再打開LED 燈開關;

(7)得到光譜分布曲線。

3 實驗數據及其分析

3.1 光度學數據

分別使用USB2000 +與USB650 Red Tide 進行相關測量，得到發光強度光譜分布圖和輻射通量光譜分布結果，對波峰處數據整理得到表1 和表2 數據。

就波峰處輻射通量而言，藍光LED 最大，黃光LED 與黃綠光LED 明顯小于其他顏色光LED。表1中波峰處波長即為各LED 的峰值波長。

通過對光譜數據的處理可以得到各個單色光LED 光強譜線的半寬度(以USB2000 + 為例):藍光36. 45 nm，藍綠光36. 15 nm，紅光21. 35 nm，黃光39.49 nm，黃綠光32.25 nm。對于單色光光強譜線的半寬度，其值越小則此單色光的顏色越純，即單色性越佳。紅光LED 的半寬度值明顯小于其他顏色光LED的半寬度值，所以紅光LED 的單色性最好。

3.2 色度學數據

在SpectraSuite 軟件中也可以獲得LED 的色品圖以及一些色度學數據，如:色品坐標、主波長、色溫、顯色指數等［15］。藍光LED、紅光LED 和藍綠光LED 的色品圖(使用USB2000 + 光譜儀)分別如圖4 ～6 所示。

圖4 藍光色品圖

圖5 紅光色品圖

圖6 藍綠光色品圖

在顏色數據中得到各種顏色光LED 的色品坐標(用USB2000 +光譜儀)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);

藍光LED(X，Y，Z)= (13. 24，9. 31，83. 51)，(x，y，z)=(0.124 8，0.087 7，0.787 4);

藍綠光LED(X，Y，Z)= (3. 68，21. 65，18. 49)，(x，y，z)=(0.083 9，0.494 1，0.422 0);

紅光LED(X，Y，Z)= (8. 97，3. 84，0. 02)，(x，y，z)=(0.699 5，0.299 3，0.001 2);

黃光LED(X，Y，Z)= (0. 54，0. 43，0. 00)，(x，y，z)=(0.550 7，0.446 8，0.002 6);

黃綠光LED(X，Y，Z)= (0. 42，0. 56，0. 01)，(x，y，z)=(0.428 2，0.566 7，0.005 1)。

在本實驗中，對于單色光LED 得到其色純度(使用USB2000 +光譜儀)，如:藍0.969，藍綠0.834，紅0.992，黃0.987，黃綠0.974。可見:紅光LED 的色純度為0.992，最大，即紅光LED 的單色性最佳，這與根據光強譜線的半寬度所得到的結論一致。

也可以得到各種顏色光LED 的主波長(使用USB2000 +光譜儀):白475.6 nm，藍473.4 nm，藍綠498.9 nm，紅625.6 nm，黃586.2 nm，黃綠567.7 nm。

3.3 光譜儀USB2000 +與USB650 Red Tide 對比

圖7 和圖8 是光譜儀USB2000 +與USB650 Red Tide 在輻射通量光譜分布圖上的對比(以紅光LED 和藍光LED 為例)。圖中:“1”代表使用光譜儀USB2000+;“2”代表使用光譜儀USB650 Red Tide，紅色曲線為使用光譜儀USB2000 +的測量結果，藍色曲線為使用光譜儀USB650 Red Tide 的測量結果。

由圖可見，分別由光譜儀USB2000 + 和USB650 Red Tide 得到的光譜分布曲線整體接近重合，在波峰處有一定分離，峰值波長基本一致。

4 結 語

通過海洋光學公司的相關儀器(光譜儀、積分球、光纖、電源)搭建的LED 測試平臺，以及運用SpectraSuite 軟件獲得和處理數據，分別得到白光、藍光、藍綠光、紅光、黃光、黃綠光LED 的光學特性。整個實驗方便，簡單，準確，而且通過各種圖表清晰直觀地展示了LED 光度學與色度學性質，有助于學生加深對光度學和色度學相關概念掌握以及更好理解LED的結構和原理，揭示隱藏在表面現象下的物理學規律。通過LED 實驗的結果表明，藍光LED 波峰輻射通量最大，紅光LED 單色性最好，紅光的色純度最大。

圖7 紅光LED 輻射通量光譜分布圖及其局部放大(兩光譜儀對比)

圖8 藍光LED 輻射通量光譜分布圖及其局部放大(兩光譜儀對比)

同時，本平臺通過適當改裝就可以得到其他應用，例如可以測試不同條件下LED 的光學特性或者測試其他光源特性等，便于開展深入研究，激發學生的科學探究興趣。

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