发光二极管光谱参数测试方法的研究X金尚忠1,2,王东辉1,周　文2,张在宣1(1.中国计量学院信息工程学院,浙江杭州310034; 2.浙江大学信息工程学院,浙江杭州310027) 摘要:影响发光二极管(L ED)颜色的光谱参数有:峰值波长、带宽、主波长和质心波长。

峰值波长和带宽反映了L ED发光的物理特性,主波长反映了L ED发光的目视感觉,质心波长是L ED的几何对称波长。

用分光光度法和CCD器件测量L ED的光谱参数,精度达1nm。

用质心波长来估算主波长,误差小于3nm。

关键词:发光二极管(L ED);峰值波长;主波长;质心波长;色品坐标中图分类号:T P216;T N312+.8 文献标识码:A 文章编号:1005-0086(2002)08-0825-03Research on Measurement of Spectrum Parameters in LEDJIN Shang-zhong1,2,WANG Do ng-hui1,ZHOU Wen2,ZHAN G Zai-x uan2(1.Institute of I nfo rm atio n Eng ineer ing,China Instit ute of M etr olog y,Hangzhou310034,China; 2.In-stitute o f Infor matio n Eng ineer ing,Zhejia ng U niv ersity,Hang zho u310027,China)Abstract:Peak w av eleng th,bandw ith,domain wav eleng th,and centro id w avelength ar e facto rs affect ingon lig ht color of LED.P eak wav eleng th and bandwith stand for the physical pro per ty of lig ht o f L ED,domain w av elengt h co rr espo nds to feel of eyes,centr oid w av elengt h is g eometr ic sym metry w avelengthof L ED.T hey wer e measured using concave disper sio n sy st em and CCD.T heir accur acies are1nm.Do-main w avelength w as estimated by centr oid w aveleng th,its err or is less t ha n3nm.Key words:L ED;P eak wav eleng th;Do main w avelength;Cent ro id wav eleng th;Colo r coo rdinate1　引　言 发光二极管(LED)由于其光强高、功耗低、寿命长、可靠性高、易驱动和易与IC相衔接等特点,已被广泛用于交通、广告和仪器仪表的显示中。

LED的颜色是影响显示效果的关键因素,决定LED颜色的则是它的波长特性。

由于LED的相对光谱功率分布是一种窄带的准单色光光谱,因此测量它的波长就尤为重要。

2　测量原理 LED在可见光区域内发光的相对光谱功率分布为P(K)。

图1所示为绿色LED的P(K)曲线,量大值所对应的波长K P称为它的峰值波长。

它的颜色可用色坐标(x,y)来表示。

按CIE规定[1],LED的三刺激值X、Y和Z为 X=k∫780380P(K)x-(K)d KY=k∫780380P(K)y-(K)d KZ=k∫780380P(K)z-(K)d K(1)式中,x-(K)、y-(K)和z-(K)为1931CIE-X YZ标准色度观察者光谱三刺激值;k称为调整系数 k=100/∫780380P(K)y-(K)d K(2)图1　LED的相对光谱功率分布Fig.1　Relative spectrum energy distribution of LED 光电子・激光　第13卷　第8期　2002年8月 Jo urnal of O pt oelect ro nics・L aser　Vo l.13　N o.8　A ug.2002 X收稿日期:2002-01-21　修订日期:2002-02-06把LED 的Y 值调整为100。

得到X 、Y 和Z 三刺激值后,可求得它的色品坐标为 x =X /(X +Y +Z )y =Y /(X +Y +Z )(3) 各种颜色的色品坐标构成了1931CIE-X YZ 色品图(图2)。

图中,从780nm 沿边缘线到380nm 为单色光颜色的色品坐标,W E (0.3333,0.3333)为等能白[P (K )=1]的色品坐标。

若LED 的色品坐标为S 1(x 1,y 1),连接W E S 1交边缘线于Kd 。

K d 即为该LED 的主波长,它反映了人眼观察LED 显示的目视感觉[2]。

图2　1931CIE -XYZ 色品图Fig .2　1931CIE -XYZ color diagram LED 的质心波长K m 为 Km =∫780380P (K )K d K /∫780380P (K )d K(4)即只要测得P (K ),就可获得K P 、Kd 和K m 。

3　测量装置3.1　K P 的测量 LED 的P (K )测试装置如图3(a)所示,LED 放在直径180mm 的积分球内。

图3(b )为驱动LED 的恒流源,电流在1～100mA 可调(也可设置为方波恒流源,电流在1～1000m A 可调),频率1kHz,占空比1/8。

LED 发的光通过光缆传到多色仪的入射狭缝上,经凹面光栅衍射成像在线阵CCD 的感光面上,线阵CCD 上的各个像元对应LED 各个波长的能量特征,经CCD 采样、放大和A /D 转换后送入计算机[3,4],处理后即可获得P (K )。

3.1.1　波长的标定 先将低压Hg 灯、He-Ne 激光器及已知波长的半图3　P (K )的测试装置Fig .3　Testing setup of P (K)导体激光器的光引入积分球内,计算机找到对应于Hg 灯、He -Ne 激光器及半导体激光器谱线407.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、577.0nm 、579.0nm 、632.8nm 和655.0nm 的CCD 像元位置,由插值可获得380～780nm 内各波长所对应的CCD 像元位置,这就完成了波长的标定。

所采集到的各波长的信号I (K )与P (K )的关系为 I (K )=cP (K )S (K )S (K )(5)式中,S (K )是整个光学系统的光谱透射率;S (K )是CCD 的光谱响应灵敏度;c 是比例系数。

3.1.2　能量的标定 将标准光源A 的光引入积分球内,其标准相对光谱功率P A (K )所对应的信号I A (K )为 I A (K )=cP A (K )S (K )S (K )(6) 式(5)除于式(6),有 P (K )=P A (K )I (K )/I A (K )(7) 即可获得被测LED 的P (K )。

计算机找出最大P(K )所对应即为K P 。

3.2　K d 的测定 由图2可知,1931CIE -X YZ 色品图边缘线上每个波长的色品坐标与W E (0.3333,0.3333)间都存在斜率k i 。

计算被测LED 的色品坐标与等能白W E 的斜率k d ,找出与其最接近的k i 所对应即为主波长K d 。

3.3　K m 的测量 由测得P (K )和式(4)计算,即可获得K m 。

为便于测量,建立如图4所示的K m 测量装置。

LED 发出的光经积分球多次漫反射匀光后,被两个・826・光电子・激光 2002年　第13卷　Si -PIN 探测器、D 1、D 2检测。

其中D 1加滤光片校正,使它在可见区内的相对光谱灵敏度S (K )=1。

经放大和A/D 转换后,信号即为 I 1=c 1∫780380P (K )d K(8)图4　K m 测量装置框图Fig .4　Block diagram of measuring K m D 2直接检测光信号。

由于高性能Si -PIN 探测器的量子效率在可见区内近似为常数,其相对光谱灵敏度[5]S (K )≈c 3K ,检测到的信号即为 I 2≈c 3c 2∫780380P (K )K d K(9)综合(4)、(8)和(9)式,得 K m ≈k 1I 2/I 1(10)这里,c 1、c 2、c 3和k 1为比例系数,其中k 1可由已知波长的激光器方便地测定。

4　实验结果及分析 我们对一些光谱灯和激光器的K P 进行了实测,结果如表1所示。

由表可见,其误差小于1nm ,可见它能胜任LED 的波长测试。

表1　K p 的测试结果Tab .1　Testing results of K pS tandard K s/nm 407.8435.6532.0546.1579.0589.6632.8669.4T est K p /nm 407.0435.0532.0546.0579.0590.0633.0670.0 表2为用图3装置测得的K P 、K d 及K m 和用图4装置测得的K m1。

由表可见,K m1比K m 更接近K d 。

由于LED 发光为准单色光,其P (K )近于高斯分布。

计算表明[5],当K P <572nm 时,K d >K p 。

由表2可见,K d 和K p 的关系与其相符。

对于实际显示,影响颜色的应为K d 。

表2中,K m 和K d 存在一定的关系。

表3列出了目前显示常用LED 的Km 和K d 关系。

由表3可见了,K m1比K m 更接近K d ,这是由于Si -PIN 探测器的量子效率在蓝端和红端有所下降,测出的K m1在蓝端移向长波,在红端移向短波。

因此,可简单地由Km1来估算K d 。

即对测出的Km1,加对应的修正量,就可获得K d ,误差小于3nm 。

表2　K p 、K d 和K m (K m1)的测试结果Tab .2　Testing results of K p 、K d and K m (K m1)No.123456789101112K p /n m 429466470480497506518522530567588595K d /n m 462471472484498508522528538571586592K m /nm 439467471485501510522525533571587595K m1/nm 447469472485501510523526535572587594No .131415161718192021222324K p /n m 596600601621626629635638654657659703K d /n m 593695596614619621625629641644645653K m /nm 596598599621626629635637654657659705K m1/nm 595597598618623625629632649650651676表3　K d 和K m (K m 1)的关系Tab .3　The relation between K d and K m (K m1)K d /n m450～475475～520520～550550～605605～630630～660K m ～K d /nm -1～-41～4-3～-50～37～810～14K m 1～K d/nm -2～01～3-2～-31～244～65　结　论 LED 的发光光谱为准单色光分布(除白色LED 外),影响其发光颜色的主要因素有峰值波长K p 带宽、主波长K d 和质心波长K m 。