LED光譜測量的操作技術(shù)解析
引言
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/201910/405880.htm今年是發(fā)光二極管(LED)誕生40周年,但只有到5年前白光LED開發(fā)成功后,對LED進(jìn)行光譜測量才提上日程。迄今,白光LED的法向發(fā)光強(qiáng)度已達(dá)10cd以上,光效已超過25lm/W。由于它具有10萬小時的壽命,微秒級的響應(yīng)時間,光效已超過白熾燈;并且體積小,結(jié)構(gòu)牢固。所以繼鹵鎢燈、熒光燈之后,它成為第三代照明光源的趨勢已成為必然。目前白光LED的制造途徑主要有三種:
(1)利用InGaN/GaN蘭光芯片,結(jié)合激發(fā)光為黃光的熒光物質(zhì)YAG復(fù)合成白光;
(2)利用紅、綠、蘭三基色通過各自比例的調(diào)整,復(fù)合成白光;
(3)在ZnSe單晶基板上形成ZnCdSe薄膜,通電后薄膜發(fā)蘭光,它與基板產(chǎn)生連鎖反應(yīng)發(fā)出黃光,復(fù)合成白光。
故各種白光LED離開等能白的色品坐標(biāo),即WE(0.3333,0.3333)的差距各不相同,從而對應(yīng)的色溫、色純度和顯色指數(shù)等參數(shù)也各不相同,所以對它進(jìn)行光譜量測量的重要性不言而喻。
準(zhǔn)確測試LED各類光電參數(shù)對改善LED的性能作用頗大,其中光譜量的測試基本上有三種方法,一是把測量光用若干塊不同波長的帶通濾光片過濾后到達(dá)光探測器,光探測器一般用光電倍增管和硅光電二極管。二是把測量光經(jīng)衍射光柵分光后到達(dá)線陣CCD電荷耦合器件。三是用單色儀分光后進(jìn)行測量。前面兩種方法主要用于便攜式光譜測試儀對LED進(jìn)行多參數(shù)一次性快速測量,用同一結(jié)構(gòu)配置的硬件測量多個參數(shù)必然降低測量精度,后一種方法計(jì)量部門運(yùn)用較多,能得到高精度的測量值,但測量時間較長。對單色LED主要測定其峰值波長和半寬度(FWHM),對白色LED主要測定其相對功率分布,從而推導(dǎo)出其色品坐標(biāo),主波長、色溫、色純度和顯色指數(shù)等參數(shù),所以是光譜量測量的重點(diǎn)對象。
單色儀使用中的一般技術(shù)
(1)光柵的準(zhǔn)確對焦:目的是使被測光源的光達(dá)到光柵時能充滿光柵,以便減小光通過單色儀后的衰減率。光斑太小使出射光的信號減小,光斑尺寸超過光柵又會使這部分光變成雜散光而降低測量精度。所以入射光的配置必須符合所用單色儀的f/D數(shù),使得與LED匹配的透鏡能使被測光正好臨界地充滿光柵。
(2)狹縫尺寸的設(shè)置:一般使出、入射狹縫等寬度,這時所得信號形狀為等腰三角形,否則將變成梯形甚至更復(fù)雜的形狀。狹縫的寬窄應(yīng)根據(jù)被測光的強(qiáng)弱同步調(diào)節(jié)。狹縫的高度也要相應(yīng)限制,這只能靠在出、入射狹縫前后放置各種寬度的平行光闌達(dá)到,因?yàn)閱紊珒x一般并沒有調(diào)節(jié)狹縫高低的功能。狹縫尺寸過大會降低光譜量的純度,當(dāng)儀器的最小實(shí)際帶寬不大于設(shè)置帶寬的1.2倍時,將得到最小的光譜帶寬。
(3)波長鼓的使用:首先,由于氣溫變化造成波長尺的熱脹冷縮,必須在紫外,可見和紅外波段定期予以校正,校正時常用發(fā)射波長的低壓汞燈、氘燈,見表1和表2所示。
表1 可采用的低壓汞燈的發(fā)射波長 nm
之所以在表中列出紫外和紅外波長是考慮到LED在軍用夜視儀和電器遙控器中的應(yīng)用。其次,變換波長時必須由大到小或由小到大順序進(jìn)行,不可來回反復(fù),否則會造成波長示值不準(zhǔn)確。
單色儀使用中易被忽略的問題
(1)狹縫散射函數(shù):單色儀從本質(zhì)上講,是波長連續(xù)可變的濾波器。根據(jù)濾波理論,一個濾波器的輸出信號是輸入信號和濾波器傳遞函數(shù)兩者的卷積。故濾波器輸出端的信號,一定要去除卷積,即解出卷積方程,才能得到真實(shí)信號。因?yàn)閱紊珒x的儀器函數(shù)不是一個δ函數(shù),單色儀出射的量不會具有100%的純度。所以用單色儀測量一個光譜量,若不經(jīng)過狹縫函數(shù)的修正,必然會使光譜形狀發(fā)生畸變,俗稱儀器加寬,具體說就是譜線加寬和分辯率降低。為了簡化狹縫散射函數(shù)的確定,一般情況下應(yīng)把單色儀的入、出射狹縫設(shè)置成等寬度,因這時得到的狹縫函數(shù)形式上最簡單。
(2)光譜分辯率:如上所說,經(jīng)過單色儀分光后的值是單色儀的帶寬和LED實(shí)際發(fā)出光譜的卷積。倘若LED的光譜帶寬大于單色儀的光譜分辯率,則被測光譜不會因帶寬引起變化。相反地,一個窄帶的單色LED在通過低光譜分辯率的單色儀時光譜會引發(fā)變化。表3顯示了一個半寬度(FWHM)約20nm的紅色LED通過設(shè)置成不同帶寬的單色儀時其光譜分辯率對測量結(jié)果的影響。
表3 不同單色儀狹縫對一支紅色LED測量的影響
由表可見,隨著狹縫的增大,其輸出波形的帶寬增加,主導(dǎo)波長和質(zhì)心波長順序減小,而輸出波形的半寬度順序增加。所以狹縫的增加會使被測光的單色性變差。由表3還可知,在測量精度范圍內(nèi)當(dāng)質(zhì)心波長幾乎不變的同時峰值波長的半寬度(FWHM)卻有顯著的增加,結(jié)果導(dǎo)致主導(dǎo)波長漂移近1nm。一個數(shù)學(xué)模型以較高的仿真度顯示了LED的光譜寬度與色品坐標(biāo)及主導(dǎo)波長間的關(guān)系。
(3)光學(xué)動態(tài)范圍:它的大小取決于單色儀光學(xué)器件和配套電子儀器的質(zhì)量好壞。大的動態(tài)范圍有助于提高測量精度以及色品三刺激值的純度,表4表示了一支紅光LED在各種動態(tài)范圍下色度測量值的變化。
表4 一支紅色LED動態(tài)范圍變化時的測試結(jié)果
動態(tài)范圍x色坐標(biāo)y色坐標(biāo)主導(dǎo)波長(nm)刺激值純度
10E20.6750.282648.187%
10E2.50.7010.286637.096%
10E3.50.7140.287634.3100%
由表可見,隨著動態(tài)范圍的減小,色品刺激值的純度也顯著減小,主導(dǎo)波長也向長波方向漂移,并且色品坐標(biāo)也減小了。所以對LED進(jìn)行色度測量時,顏色飽和度是否達(dá)到100%是測量精度的一個重要判據(jù)。動態(tài)范圍的減小與引入測量噪聲的大小成正比。此外單色儀與CCD陣列器件的光譜儀相比,由于后者的動態(tài)范圍小,致使測量所得的光譜波峰削減13%之多。
(4)雜散光:在進(jìn)行光譜測量時,雜散光是影響測量精度的主要原因,即使采取了許多措施,也只能減少雜散光而不能完全排除它,尤其是在可見光譜的短波段,這種影響更加顯著。因?yàn)樵谔m光區(qū)白光LED的光通量只占10%。再者,由于所測信號和雜散光混在一起構(gòu)成測量信號,所以在400nm波長點(diǎn),0.5%的雜散光就會引起5%的定標(biāo)誤差,對白光LED而言,由于其發(fā)光光譜與普朗克發(fā)射體的偏差較大,所以更容易產(chǎn)生大的測量誤差,因?yàn)闇y量的計(jì)算程序通常只能根據(jù)普朗克黑體或灰體為基礎(chǔ)編制。所以蘭色LED相對窄的波峰相對于熒光物質(zhì)寬的發(fā)射光譜應(yīng)設(shè)計(jì)一個合適的權(quán)重,以提高色度坐標(biāo)測量的正確性。表5列出了一支白光LED的測量結(jié)果。
這些值是在一個傳統(tǒng)的單色儀和兩個多通道快速測量光譜儀上做的,后者的光學(xué)動態(tài)范圍較小。由表可見,由于前者的雜散光屏蔽設(shè)置較好,所以,測量結(jié)果的準(zhǔn)確性較高,其誤差程度在0.3%至2%之間;基于色品坐標(biāo)的構(gòu)成特點(diǎn),y色坐標(biāo)比x色坐標(biāo)的誤差要大1倍。由此還可看出,單就雜散光影響而言,當(dāng)今商品化的多通道快速測量儀的儀器級別比C級還要低1倍以上。
結(jié)束語
白光LED合成的空間輻射的光譜測量必須考慮到多重因素的影響,不準(zhǔn)確的分光測量不但會導(dǎo)致峰值波長及其半寬度的測量誤差,還會導(dǎo)致大的色度測量誤差。所以要求光譜測量儀器的光譜分辯率應(yīng)小于0.5nm,其對雜散光的屏蔽水平應(yīng)小于測量信號值的3個量級。
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