LED光譜測(cè)量的操作技術(shù)解析

引言

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(duì)LED進(jìn)行光譜測(cè)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(shí)的壽命，微秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)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(shì)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(duì)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(duì)它進(jìn)行光譜量測(cè)量的重要性不言而喻。

準(zhǔn)確測(cè)試LED各類光電參數(shù)對(duì)改善LED的性能作用頗大，其中光譜量的測(cè)試基本上有三種方法，一是把測(cè)量光用若干塊不同波長(zhǎng)的帶通濾光片過濾后到達(dá)光探測(cè)器，光探測(cè)器一般用光電倍增管和硅光電二極管。二是把測(cè)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(cè)量。前面兩種方法主要用于便攜式光譜測(cè)試儀對(duì)LED進(jìn)行多參數(shù)一次性快速測(cè)量，用同一結(jié)構(gòu)配置的硬件測(cè)量多個(gè)參數(shù)必然降低測(cè)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(cè)量值，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)單色LED主要測(cè)定其峰值波長(zhǎng)和半寬度（FWHM），對(duì)白色LED主要測(cè)定其相對(duì)功率分布，從而推導(dǎo)出其色品坐標(biāo)，主波長(zhǎng)、色溫、色純度和顯色指數(shù)等參數(shù)，所以是光譜量測(cè)量的重點(diǎn)對(duì)象。

單色儀使用中的一般技術(shù)

（１）光柵的準(zhǔn)確對(duì)焦：目的是使被測(cè)光源的光達(dá)到光柵時(shí)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(hào)減小，光斑尺寸超過光柵又會(huì)使這部分光變成雜散光而降低測(cè)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(cè)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(shí)所得信號(hào)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(cè)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(huì)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(shí)，將得到最小的光譜帶寬。

（３）波長(zhǎng)鼓的使用：首先，由于氣溫變化造成波長(zhǎng)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(shí)常用發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng) nm

之所以在表中列出紫外和紅外波長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)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(huì)造成波長(zhǎng)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)：?jiǎn)紊珒x從本質(zhì)上講，是波長(zhǎng)連續(xù)可變的濾波器。根據(jù)濾波理論，一個(gè)濾波器的輸出信號(hào)是輸入信號(hào)和濾波器傳遞函數(shù)兩者的卷積。故濾波器輸出端的信號(hào)，一定要去除卷積，即解出卷積方程，才能得到真實(shí)信號(hào)。因?yàn)閱紊珒x的儀器函數(shù)不是一個(gè)δ函數(shù)，單色儀出射的量不會(huì)具有100%的純度。所以用單色儀測(cè)量一個(gè)光譜量，若不經(jīng)過狹縫函數(shù)的修正，必然會(huì)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(jiǎn)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(shí)得到的狹縫函數(shù)形式上最簡(jiǎn)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(cè)光譜不會(huì)因帶寬引起變化。相反地，一個(gè)窄帶的單色LED在通過低光譜分辯率的單色儀時(shí)光譜會(huì)引發(fā)變化。表3顯示了一個(gè)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(shí)其光譜分辯率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

表3 不同單色儀狹縫對(duì)一支紅色LED測(cè)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(zhǎng)和質(zhì)心波長(zhǎng)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(huì)使被測(cè)光的單色性變差。由表3還可知，在測(cè)量精度范圍內(nèi)當(dāng)質(zhì)心波長(zhǎng)幾乎不變的同時(shí)峰值波長(zhǎng)的半寬度（FWHM）卻有顯著的增加，結(jié)果導(dǎo)致主導(dǎo)波長(zhǎng)漂移近1nm。一個(gè)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(zhǎng)間的關(guān)系。

（3）光學(xué)動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍有助于提高測(cè)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(dòng)態(tài)范圍下色度測(cè)量值的變化。

表4 一支紅色LED動(dòng)態(tài)范圍變化時(shí)的測(cè)試結(jié)果

動(dòng)態(tài)范圍x色坐標(biāo)y色坐標(biāo)主導(dǎo)波長(zhǎng)（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(dòng)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(zhǎng)也向長(zhǎng)波方向漂移，并且色品坐標(biāo)也減小了。所以對(duì)LED進(jìn)行色度測(cè)量時(shí)，顏色飽和度是否達(dá)到100%是測(cè)量精度的一個(gè)重要判據(jù)。動(dòng)態(tài)范圍的減小與引入測(cè)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(dòng)態(tài)范圍小，致使測(cè)量所得的光譜波峰削減13%之多。

（4）雜散光：在進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)，雜散光是影響測(cè)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(cè)信號(hào)和雜散光混在一起構(gòu)成測(cè)量信號(hào)，所以在400nm波長(zhǎng)點(diǎn)，0.5%的雜散光就會(huì)引起5%的定標(biāo)誤差，對(duì)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(cè)量誤差，因?yàn)闇y(cè)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(duì)窄的波峰相對(duì)于熒光物質(zhì)寬的發(fā)射光譜應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)合適的權(quán)重，以提高色度坐標(biāo)測(cè)量的正確性。表5列出了一支白光LED的測(cè)量結(jié)果。

這些值是在一個(gè)傳統(tǒng)的單色儀和兩個(gè)多通道快速測(cè)量光譜儀上做的，后者的光學(xué)動(dòng)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(cè)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(cè)量?jī)x的儀器級(jí)別比C級(jí)還要低1倍以上。

結(jié)束語(yǔ)

白光LED合成的空間輻射的光譜測(cè)量必須考慮到多重因素的影響，不準(zhǔn)確的分光測(cè)量不但會(huì)導(dǎo)致峰值波長(zhǎng)及其半寬度的測(cè)量誤差，還會(huì)導(dǎo)致大的色度測(cè)量誤差。所以要求光譜測(cè)量?jī)x器的光譜分辯率應(yīng)小于0.5nm，其對(duì)雜散光的屏蔽水平應(yīng)小于測(cè)量信號(hào)值的3個(gè)量級(jí)。