实验6LED光色测试系统.doc

实验6 LED光色测试系统一、实验目的1. 了解CIE色度学基本知识以及LED光色测试原理2. 掌握LED光电系统的定标方法3. 学习LED芯片光谱测试分析技术4. 学习用积分球测试LED灯色坐标、光谱、光效等参数的测量方法学习LED荧光粉的光谱、色坐标的测试方法二、仪器用具积分球、PMS-50紫外-可见光-近红外光谱分析系统、电脑、LED芯片电光测试台、直插式LED灯若干个、LED芯片若干个、荧光粉、硫酸钡等三、实验原理1. 色度学理论基础：1802年英国物理学家杨格提出：在人的视网膜中可能存在3种分别对红、绿、蓝色光敏感的感光细胞，由它们感受的混合光刺激产生各种颜色的感觉 赫姆霍兹在此基础上创立了三基色理论：（1）将适当选择的3种基色（如红、绿、蓝）按不同比例合成，可以引起不同的彩色感觉；（2）合成的彩色光的亮度取决于三基色亮度之和，色度取决于三基色成分的比例；（3）3种基色彼此独立，任一种基色不能由其他两种基色配出为客观、统一地评价光源或物体的颜色，CIE 在大量心理学和物理学实验基础上推荐了“CIE 1931 XYZ 标准色度系统”，其三刺激函数如图6-1 所示即是感观视觉函数。

对于一发光物体假设其发射光谱为P(λ)，则人眼的刺激值响应为： （6-1）图6-1 CIE 1931 XYZ 系统三刺激值函数则其色品坐标为： （6-2）三基色系统XYZ，绘制出据CIE 1931-XYZ系统的色度图色度图由一封闭舌形曲线组成，横坐标x相当于红原色比例，纵坐标y相当于绿原色比例舌形曲线的坐标点表示纯单色光的光谱轨迹，波长从400-700 nm的连线是光谱上所没有的从紫到红的颜色从色度图上可以获得样品色坐标，发光率，显色指数，相关色温等重要色参数2. 光度学理论基础：光辐射特性的物理度量单位对整个电磁波谱都有意义但对于照明光源，必须引入衡量人眼对照明光源的亮度感觉的物理量，称为光度学假定某一辐射体发出的光线是单一波长λ，该辐射体单位时间内所辐射的单位波长范围内的能量就是辐射通量或辐射功率Pλ，由该辐射通量对人眼所引起感觉的量为光通量Fλ，它表示单位时间内流出光能的大小，单位是流明则 （6-3）其中，Kλ：与视觉有关的比例系数，也称可见度，Km：光功当量，Φλ：相对可见度(通常称视见函数)。

各波长发出的总辐射通量的总光通量F为： （6-4）流明效率是发射的光通量F(以流明为单位)与激发时输入的电功率或被吸收的其它形式能量总功率Px之比，即 （6-5）图6-3 CIE标准观察者的人眼的光谱光视效率和效能3. PMS系统测试原理：根据光度色度学理论，只要测得被测体的光谱功率分布P(λ)（即在每一光谱下测其能量值）后，就不难计算出被测光源的颜色参数：色品坐标（x，y）和（u，v），相关色温TC，显色指数Ra、Ri（1-15），峰值波长及半宽度等因此测出P(λ)是PMS-50/80紫外-可见-近红外光谱分析系统的根本任务，图6-4是PMS-50/80紫外-可见-近红外光谱分析系统原理框图图6-4 PMS系统原理框图如图6-4所示，LED芯片的正负极被接通电源后发出的光线，经光纤，被汇聚在单色仪的入射狭缝上，经单色仪分光后的单色光由单色仪出射狭缝射出，并由光电倍增管(PMT)转换成电信号，经电路放大处理，A/D 转换，将数字信号送入计算机设光源光谱功率分布为P(λ)，积分球的光谱反射比为ρ(λ)，光纤、光学系统及滤色片的光谱透射比为τ(λ)，单色仪的衍射效率为T(λ)，PMT的光谱灵敏度为S(λ)，那么光电流信号Iph(λ)为： （6-6）定义K(λ)为测试系统的光谱响应常数，Iph(λ)由信号放大、处理电路和计算机组成的系统测试获得。

K(λ)通常用已知光谱功率分布的标准辐射体（如2856K标准A光源）对测量系统定标得到假设用标准光源S定标，定标时测得的光电流为Iphs(λ)： （6-7）那么测量系统的光谱响应常数： （6-8）代入式(6-6)，得到被测光源光谱功率分布P(λ)： （6-9）本仪器除实现一般光谱辐射计的光谱辐射和颜色参数的测量以外，其更优异的特性在于它有机结合了积分法光度测试和分光法光度测试的优点，实现了宽动态范围的光度线性，同时消除了由于标准光源与被测光源强弱差异而引起的误差和异谱误差4. 积分球原理图积分球又称光通球，是一个中空的完整球壳内壁涂有白色漫反射层，且球内壁各点漫反射均匀并且光源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的，球壁上任意位置的光照度E（挡去直接光照后）与灯的光通量Φ成正比，通过测量球壁窗口上的光照度E，以及光谱功率分布曲线就可求出光源的光通量Φ近年来，由于在发射单色仪的输出光路中采用了光纤耦合系统，利用荧光光度计也可完成一些关于光色参数的测量早期采用“万能光电色度计”测量色坐标，而更早期，色坐标是通过发射光谱计算得到的。

关于白光LED（WLED）光色参数的测量，可参照《发光学与发光材料》一书提供的方法：“置于积分球（直径100～150mm）底部，发光面竖直向上（二极管的供电系统全面积分球外），积分球壁沿水平中心轴的一端开适当小窗作为1入缝这就构成了发光二极管光色参数测量系统如图8-5所设的一小挡板，其大小能只以挡住WLED的直射光不进入光纤入端”上述测量方法，需有三只已知总光通量的LED作为总光通量标准其次，在积分球顶部开一小窗，用已知色温的白炽标准灯对取代二极管位置的MgO槽照射，漫反射光经光纤对整个系统进行光谱校正测得发光二极管的光谱功率分布（SPD）和总光通量，依据SPD，按有关计算方法求出色坐标x、y、色温Tc和显色指数Ra等图6-5积分球原理图四、实验内容与要求1. LED芯片光谱分析实验：（1）开机：打开稳压源和主机；打开电脑；将主机上的光纤探头连接到芯片操作台；打开显微镜背面的照明灯2）放置芯片：（3）设定的稳压源参数（4）系统设置参数不需要改变，直接按“确定”，然后出现了测试设置窗口，选择“自动选择灵敏度”，扫描步长只可以选择“5 nm“或者“1 nm”，但不能选择0.1 nm扫描范围一般使用 380-800 nm扫描范围。

设置好在这些参数后，按“开始测试”5）记录结果：测试完毕后，出现光谱功率P（λ）曲线；并导出实验数据注意：测试结束换芯片时，一定要注意使稳压源复位：在主窗口中选择“工具”，然后选择“复位”这时输入电压复位到零电压2. LED灯测试：（1） 光谱定标（2）光通量定标（3）电光源测试(4) 将此结果存盘，并对结果进行分析，写出实验报告3. 荧光粉测试：装置换成荧光粉激发测试装置，定标、测试过程与LED灯类似六、数据处理 由数据可得： 从上图可以得到峰值波长为562.0nm ，半宽高为26.6nm测试参数产品型号光通量(lm)辐射通量(W)光效(lm/W)色温(K)主波长(nm)峰值波长(nm)半波宽(nm)红色比(%)绿色比(%)绿色LED0.0456810.00007271.023403156856226.62.797.3六、思考问题1、如何系统评价LED灯性能好坏？答：主要看它的光特性来判断：例如光强分布、初始输出能效(光效)/光通量、光强/照度;，还有它的相关色温、显色指数、色品坐标、色品容差、主波长(单色)、颜色分布不均匀性和色空间均匀度和寿命等2、简述积分球的工作原理。

答：设进入积分球的一束光的总光通量为Φ，照射在球内壁面积为S3处光在内壁表面上多次漫反射现考察内壁任意一点M处的照度E由于进入积分球的光直接照在S3处，则由S3上每一点漫反射的光都会有一部分直接身到考察位置M处，所有这些直接射到M处的光的照度总和称为直射照度，用E0表示除此之外，还有从S3漫反射到积分球内壁各点经多次漫反射到达M处的光，这部分光照度总和称为多次漫反射照度，用E∑表示于是，考察位置M处的照度E为这两部分照度之和，即：E=E0+E∑。