LED光譜測量的操作技術解析

引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201910/405880.htm

今年是發光二極體（LED）誕生40周年，但只有到5年前白光LED開發成功後，對LED進行光譜測量才提上日程。迄今，白光LED的法向發光強度已達10cd以上，光效已超過25lm/W。由於它具有10萬小時的壽命，微秒級的響應時間，光效已超過白熾燈；並且體積小，結構牢固。所以繼滷鎢燈、螢光燈之後，它成為第三代照明光源的趨勢已成為必然。目前白光LED的製造途徑主要有三種：

（1）利用InGaN/GaN蘭光晶片，結合激發光為黃光的螢光物質YAG複合成白光；

（2）利用紅、綠、蘭三基色通過各自比例的調整，複合成白光；

（3）在ZnSe單晶基板上形成ZnCdSe薄膜，通電後薄膜發蘭光，它與基板產生連鎖反應發出黃光，複合成白光。

故各種白光LED離開等能白的色品坐標，即WE（0.3333，0.3333）的差距各不相同，從而對應的色溫、色純度和顯色指數等參數也各不相同，所以對它進行光譜量測量的重要性不言而喻。

準確測試LED各類光電參數對改善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後到達光探測器，光探測器一般用光電倍增管和矽光電二極體。二是把測量光經衍射光柵分光後到達線陣CCD電荷耦合器件。三是用單色儀分光後進行測量。前面兩種方法主要用於可攜式光譜測試儀對LED進行多參數一次性快速測量，用同一結構配置的硬體測量多個參數必然降低測量精度，後一種方法計量部門運用較多，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，從而推導出其色品坐標，主波長、色溫、色純度和顯色指數等參數，所以是光譜量測量的重點對象。

單色儀使用中的一般技術

（１）光柵的準確對焦：目的是使被測光源的光達到光柵時能充滿光柵，以便減小光通過單色儀後的衰減率。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，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複雜的形狀。狹縫的寬窄應根據被測光的強弱同步調節。狹縫的高度也要相應限制，這只能靠在出、入射狹縫前後放置各種寬度的平行光闌達到，因為單色儀一般並沒有調節狹縫高低的功能。狹縫尺寸過大會降低光譜量的純度，當儀器的最小實際帶寬不大於設置帶寬的1.2倍時，將得到最小的光譜帶寬。

（３）波長鼓的使用：首先，由於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，校正時常用發射波長的低壓汞燈、氘燈，見表1和表2所示。

表1 可採用的低壓汞燈的發射波長 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用。其次，變換波長時必須由大到小或由小到大順序進行，不可來回反覆，否則會造成波長示值不準確。

單色儀使用中易被忽略的問題

（1）狹縫散射函數：單色儀從本質上講，是波長連續可變的濾波器。根據濾波理論，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，才能得到真實信號。因為單色儀的儀器函數不是一個δ函數，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，若不經過狹縫函數的修正，必然會使光譜形狀發生畸變，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的確定，一般情況下應把單色儀的入、出射狹縫設置成等寬度，因這時得到的狹縫函數形式上最簡單。

（2）光譜分辯率：如上所說，經過單色儀分光後的值是單色儀的帶寬和LED實際發出光譜的卷積。倘若LED的光譜帶寬大於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變化。表3顯示了一個半寬度（FWHM）約20nm的紅色LED通過設置成不同帶寬的單色儀時其光譜分辯率對測量結果的影響。

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，主導波長和質心波長順序減小，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，在測量精度範圍內當質心波長几乎不變的同時峰值波長的半寬度（FWHM）卻有顯著的增加，結果導致主導波長漂移近1nm。一個數學模型以較高的仿真度顯示了LED的光譜寬度與色品坐標及主導波長間的關係。

（3）光學動態範圍：它的大小取決於單色儀光學器件和配套電子儀器的質量好壞。大的動態範圍有助於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在各種動態範圍下色度測量值的變化。

表4 一支紅色LED動態範圍變化時的測試結果

動態範圍x色坐標y色坐標主導波長（nm）刺激值純度

10E20.6750.282648.187%

10E2.50.7010.286637.096%

10E3.50.7140.287634.3100%

由表可見，隨著動態範圍的減小，色品刺激值的純度也顯著減小，主導波長也向長波方向漂移，並且色品坐標也減小了。所以對LED進行色度測量時，顏色飽和度是否達到100%是測量精度的一個重要判據。動態範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，由於後者的動態範圍小，致使測量所得的光譜波峰削減13%之多。

（4）雜散光：在進行光譜測量時，雜散光是影響測量精度的主要原因，即使採取了許多措施，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。因為在蘭光區白光LED的光通量只佔10%。再者，由於所測信號和雜散光混在一起構成測量信號，所以在400nm波長點，0.5%的雜散光就會引起5%的定標誤差，對白光LED而言，由於其發光光譜與普朗克發射體的偏差較大，所以更容易產生大的測量誤差，因為測量的計算程序通常只能根據普朗克黑體或灰體為基礎編制。所以蘭色LED相對窄的波峰相對於螢光物質寬的發射光譜應設計一個合適的權重，以提高色度坐標測量的正確性。表5列出了一支白光LED的測量結果。

這些值是在一個傳統的單色儀和兩個多通道快速測量光譜儀上做的，後者的光學動態範圍較小。由表可見，由於前者的雜散光屏蔽設置較好，所以，測量結果的準確性較高，其誤差程度在0.3%至2%之間；基於色品坐標的構成特點，y色坐標比x色坐標的誤差要大1倍。由此還可看出，單就雜散光影響而言，當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，不準確的分光測量不但會導致峰值波長及其半寬度的測量誤差，還會導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小於0.5nm，其對雜散光的屏蔽水平應小於測量信號值的3個量級。