王　瑗，潘　葳，徐如鳳，周　紅，王錦輝

(上海交通大學(xué) 物理與天文系，上海 200240 )

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發(fā)光二極管峰值波長偏移對色度的影響

王瑗，潘葳，徐如鳳，周紅，王錦輝

(上海交通大學(xué) 物理與天文系，上海 200240 )

摘要：利用可調(diào)恒流源控制彩色LED發(fā)光，采用多道光譜儀測量LED的光譜特性，得到峰值波長隨工作電流的變化產(chǎn)生的偏移，并計算了由此而引起的色度值變化．

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；峰值波長偏移；色度學(xué)

1引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是國內(nèi)理工科院校學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課,但隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和信息技術(shù)在各個領(lǐng)域的完全滲透,也要求它緊貼時代脈搏,有所創(chuàng)新. 目前,彩色半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的研究及開發(fā)技術(shù)發(fā)展迅速,由于制造成本的不斷降低和在應(yīng)用中控制技術(shù)的日益完善,使它在當(dāng)今社會各領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛并占據(jù)了相當(dāng)重要的地位,這更使得有關(guān)其彩色計量科學(xué)的色度學(xué)研究的重要性日漸突出． 近年來國內(nèi)大多數(shù)高校都在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開設(shè)了對半導(dǎo)體二極管(包括LED)這一典型的非線性元件進(jìn)行伏安特性測量[1]及對彩色發(fā)光二極管LED進(jìn)行光譜測量的實(shí)驗(yàn),個別高校還利用彩色發(fā)光二極管LED做了測量其色度的實(shí)驗(yàn)[2]. 本實(shí)驗(yàn)在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,彩色LED通電后正常工作時,測量分析光譜譜線隨工作電流(或電壓)的變化產(chǎn)生漂移的情況及由此而引起的色度值變化[3].

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計

2.1　實(shí)驗(yàn)原理

發(fā)光二極管是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管. 其發(fā)光機(jī)理是在PN結(jié)內(nèi)注入正向電流時,注入的非平衡載流子(電子-空穴對)在擴(kuò)散過程中復(fù)合時會把多余能量以光的形式釋放出來輻射發(fā)光[4]. 制作中所用材料不同,發(fā)光波長也不同,對人眼產(chǎn)生的彩色刺激感覺也不同. 研究它的光譜色并對其顏色進(jìn)行準(zhǔn)確定位成為當(dāng)前研究的重要內(nèi)容.

當(dāng)LED外加的電流或電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定工作值時,其光譜色會發(fā)生明顯偏移,出現(xiàn)明顯藍(lán)移或紅移,甚至造成器件損壞；當(dāng)LED的工作時間已經(jīng)很長,壽命變短時也會使光譜色發(fā)生偏移. 這些內(nèi)容都不在此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計研究的范圍內(nèi). 由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)時和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等條件的限制,實(shí)驗(yàn)中只讓學(xué)生研究LED外加正常工作電流(0~25 mA)情況下的光譜特性及光譜色偏移情況,這不僅與LED在應(yīng)用中的工作情況比較接近,還起到拋磚引玉的作用，為以后的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ). 本實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容有LED工作電路、光譜測量及色度值計算等.

實(shí)驗(yàn)研究中用到的色度學(xué)是研究人眼彩色視覺的定性和定量規(guī)律及應(yīng)用的科學(xué). 彩色光的基本參量有明亮度、色調(diào)和飽和度,它們分別反映了光作用于人眼時引起的明亮程度感覺,物體透射或反射的光的光譜成分及彩色光所呈現(xiàn)顏色的深淺或純潔程度,色調(diào)和飽和度又稱為色度. 根據(jù)色度學(xué)理論,任何顏色的光都可以被分解為3個對人眼的顏色刺激值X,Y和Z. 采用國際色度學(xué)系統(tǒng)——1931CIE-XYZ系統(tǒng)[5-6]對彩色光的顏色三刺激值和色坐標(biāo)進(jìn)行計算.

為此首先要對彩色LED的發(fā)光光譜進(jìn)行測量. 實(shí)驗(yàn)使用光學(xué)多通道光譜儀測量光譜. 由于光譜儀對不同光波長的響應(yīng)能力不同,必須對光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn). 在實(shí)際測量中選用與CIE規(guī)定的色溫為2 856 K的色度學(xué)標(biāo)準(zhǔn)A[7]光源光譜最接近的鹵素螺旋鎢絲燈為標(biāo)準(zhǔn)光源A 進(jìn)行校準(zhǔn).方法是在與待測的彩色光相同的測量條件下,測出標(biāo)準(zhǔn)光源A的相對功率SA測(λ)及待測光源C的相對功率SC測(λ)，代入

(1)

求出待測光源的光譜功率分布SC(λ)[5], 其中準(zhǔn)光源A的光譜功率分布SA(λ)的相對值取自文獻(xiàn)[8]． 將求出的SC(λ)代入

(2)

(3)

色度坐標(biāo)為

(4)

其中x,y,z色度坐標(biāo)分別相當(dāng)于色光中紅原色、綠原色和藍(lán)原色的比例. 因此如果能計算出彩色LED的色度坐標(biāo)x和y就可以在色度圖中明確地標(biāo)定出它的顏色特征.

2.2　實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)測量裝置的基本框圖如圖1所示.

圖1　光譜特性測量裝置的基本框圖

實(shí)驗(yàn)測量裝置主要由多通道光譜儀、CCD接收單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機(jī)組成,光譜測量范圍為300~900 nm, 波長精度≤±0.4 nm, 分辨率優(yōu)于0.2 nm.實(shí)驗(yàn)選用高亮度LED,利用可調(diào)恒流源Is精確地控制LED發(fā)光,R為過流保護(hù)電阻，采用多通道光譜儀實(shí)時測量LED的光譜特性.

由于被測光源LED的發(fā)光面是圓蓋形狀的，光分布很特殊，測量距離不同、接收器接收面積不同都會使光強(qiáng)值發(fā)生變化. 為了提高測量精度，實(shí)驗(yàn)測量中要先將LED按圖1中電路連接好，在光譜儀的光強(qiáng)測量范圍內(nèi),調(diào)整好LED與測量儀器的方位、距離及光譜儀進(jìn)光的狹縫大小,并給予固定.

測量時用高壓汞燈對光譜儀定標(biāo)，再測量標(biāo)準(zhǔn)A光源的光譜,然后測量LED光譜強(qiáng)度分布.實(shí)驗(yàn)中緩緩增大LED工作電流，觀察譜線變化，保存不同工作電流時光譜強(qiáng)度分布的數(shù)據(jù).

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)以高亮度藍(lán)光LED為例進(jìn)行測量分析. 藍(lán)光LED的無機(jī)半導(dǎo)體材料主要是GaN/InGaN， 峰值波長約為467 nm, 譜線半峰全度約為26 nm，光譜功率分布近于高斯分布，是很好的窄帶光譜. 圖2是標(biāo)準(zhǔn)光源A的測量和標(biāo)準(zhǔn)相對光譜功率SA測(λ)和SA(λ)曲線圖,圖3是藍(lán)光LED相對光譜強(qiáng)度分布隨電流變化圖,圖4是藍(lán)光LED峰值波長與外加正向電流間的關(guān)系.

從圖3~4中可以看出藍(lán)光LED峰值波長λp隨外加工作電流 (0～25 mA) 出現(xiàn)微小的譜線藍(lán)移,向短波方向移動幅度近10 nm，這與實(shí)驗(yàn)所選藍(lán)光LED的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料的極化效應(yīng)有關(guān). 由于Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料在LED中的纖鋅礦晶格結(jié)構(gòu)缺少變換對稱性所產(chǎn)生的自發(fā)極化以及GaN和InGaN晶格常量不匹配產(chǎn)生的壓電極化致使量子阱內(nèi)部存在很強(qiáng)的內(nèi)電場,該內(nèi)電場將阻止載流子的注入,但隨著工作電流的不斷加大,使多量子阱區(qū)的自由載流子增加，屏蔽了部分內(nèi)電場,使量子阱中基態(tài)升高,致使藍(lán)光LED峰值波長λp向短波方向發(fā)生移動[9].

圖2　標(biāo)準(zhǔn)光源A的測量和標(biāo)準(zhǔn)相對光譜功率

圖3　藍(lán)光LED相對光譜強(qiáng)度分布隨電流變化

圖4　藍(lán)光LED峰值波長與外加正向電流的關(guān)系

把以上測量數(shù)據(jù)代入式(1)~(4)中，計算出不同工作電流時LED各條光譜所對應(yīng)的色坐標(biāo)值，見表1. 在圖5的色度圖中分別標(biāo)出它們的色坐標(biāo)位置點(diǎn),圖5所用CIE-1931色度圖取自參考文獻(xiàn)[10] ,由于是測量同一LED, 各個色坐標(biāo)點(diǎn)位置比較靠近,圖中的點(diǎn)和線作得都比較小、比較細(xì),但能看清楚圖中的各點(diǎn)及其之間的關(guān)系,由于表1中有些點(diǎn)的位置是重合的,在圖5不重復(fù)標(biāo)注. 用折線ADEFH按工作電流逐漸增大的方向連接所標(biāo)注的各主要色坐標(biāo)點(diǎn), 折線只表示了這些點(diǎn)間的先后順序關(guān)系. 在色度圖上看到的對顏色的描述更加準(zhǔn)確形象[11].

表1　不同工作電流時LED各條光譜所對應(yīng)的色坐標(biāo)值

色度圖上某一點(diǎn)處光譜的顏色就是該點(diǎn)的色調(diào),該點(diǎn)離開白光區(qū)C點(diǎn)至光譜軌跡的距離表明它的色純度，即飽和度. 該點(diǎn)越靠近C點(diǎn)顏色越不純，越靠近色度圖邊緣的光譜軌跡顏色越純. 從圖5上標(biāo)出的折線ADEFH點(diǎn)的位置來看, 在藍(lán)光LED剛開始導(dǎo)通工作的折線ADE段，電流在0.62～8 mA之間,色坐標(biāo)位置變化相對大些, 色純度在減小;在工作穩(wěn)定后的折線EFH段，工作電流在8～25 mA之間,色坐標(biāo)雖然在藍(lán)移,但變化很小很緩慢,色純度在增大.

圖5　不同工作電流時藍(lán)光LED光譜色　在CIE-1931色度圖中位置

4結(jié)束語

利用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)緊密聯(lián)系市場實(shí)際開發(fā)了創(chuàng)新型綜合性設(shè)計實(shí)驗(yàn)，由于該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理量較大,因此本文只對彩色發(fā)光二極管中的藍(lán)光LED進(jìn)行了測量計算,實(shí)際實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以很靈活地選擇各種顏色的發(fā)光二極管進(jìn)行測量. 通過該實(shí)驗(yàn)

學(xué)生對LED的發(fā)光控制、光譜測量方法及色度計算都有了比較清楚的認(rèn)識，既擴(kuò)展和豐富了物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，又充分調(diào)動了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動性，具有很好的通用性及實(shí)用性.

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[責(zé)任編輯：任德香]

Experimental design of measuring the effect of peak wavelength shift of LED on chrominance

WANG Yuan, PAN Wei, XU Ru-feng, ZHOU Hong, WANG Jin-hui

(Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:LED’s lighting was controlled by adjustable constant current source. The LED’s spectra were measured by multichannel spectrometer. The peak wavelength shift of colored LED induced by the normal working current was obtained, and the corresponding variation of the chrominance was calculated.

Key words:light emitting diode; peak wavelength shift; colorimetry

中圖分類號：O433.1；O432.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)02-0008-04

作者簡介：王瑗(1963-)，女，江蘇常州人，上海交通大學(xué)物理系高級工程師，碩士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與儀器開發(fā)工作．

收稿日期：2014-06-20；修改日期：2014-08-27

“第8屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文