常用LED 光源的光谱特性分析研究*

潘宏垣，何秋跃，黄一平，苏检德

(广西师范大学电子工程学院，广西 桂林 541004)

1 引言

由于科学技术的进步，LED 灯已经在照明领域处于绝对的主流地位[1]。在可见光范围内，发光二极管发光颜色，从原来常见的红色和黄色，发展到现在有很多种颜色可选择，有正白、暖白、冷白、冰蓝、蓝色、植物蓝、绿色、翠绿、红色、粉红、植物红、橙色、紫色等；从原来的低亮度发光管，发展到高亮度发光管；从原来主要仅见于仪器仪表运行状态的指示灯，到现在大量使用于手电筒照明、路灯照明、室内照明、彩色LED 屏、显示器背光灯等。不同的用途，对发光二极管的发光光谱是有特定要求的，比如：显示器背光灯，它的发光光谱颜色、色温，必须是适合于保护眼睛的白光光谱，有些颜色容易使眼睛疲劳，有些颜色容易使人感觉是冷色或暖色；由三基色（红、绿、蓝）LED 单元组成动态图像彩色LED 显示屏，它使用的发光二极管，基色的发光光谱不同，会影响着电子屏色彩是否丰富、能否实现高饱和度。因此，在设计电子产品时，LED 的发光光谱特性还是要作为积极考虑的一个因素。有关厂家对其发光二极管的发光光谱特性，一般不作说明，也很少有相关报道，有必要对常用LED 光源的光谱特性进行一下研究，从光谱特性分析的角度评价LED 产品质量性能[2-4]。

2 光谱测量整体方案设计

本文分析方案设置了三个变量：厂家、批次和颜色。

利用控制变量法进行三组对比实验：

实验一：对比相同厂家（包装标签相同）不同批次（每袋1000 个，同袋的为一个批次）相同颜色的LED光源；

实验二：对比相同厂家不同颜色的LED 光源；

实验三：对比不同厂家相同颜色的LED 光源。

在实验一中，选取甲厂家的LED 灯作为测试样本，共4 个批次。每个批次抽取20 个LED，分别求出4个批次的平均值再进行对比，进行80 次试验，得到80 组数据。

在实验二中，选取深红、绿、深蓝、深绿共计四种颜色进行测试，选取乙厂家的LED 灯作为测试样本。每种颜色都进行30 组试验，得到120 组数据。

在实验三中，固定颜色为蓝色，选取A、B、C、D 四个厂家的LED 灯作为测试样本。每一个来源厂家随机选取30 组进行试验，得到120 组数据。

3 测试装置硬件设计

海洋光学(Ocean Optics)USB2000+光纤光谱仪是海洋光学产品中最典型、最实用的一款光谱仪，本文测试装置硬件设计采用海洋光学USB2000+光纤光谱仪作为光谱特性分析的基本仪器。该光谱仪采用索尼公司第二代ILX511B CCD，最大采样速率为1毫秒，通过USB 2.0与电脑相连，每一秒钟可以容纳多达1000个光谱图像，使其成为高速处理应用的最理想设备，其参数见表1。

表1 海洋光学(Ocean Optics)USB2000+光纤光谱仪

光谱仪一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）、聚焦光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括出射狭缝，让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定而宽度可调，可以通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。海洋光学公司的光谱仪使用的是CCD探测器，可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅[5-7]。

使用测量光纤可以把被测样品产生的信号光传导到光谱仪的光学平台中，由于光纤的耦合非常容易，所以可以很方便地构建起由光源、采样附件和光纤光谱仪组成的模块化测量系统[8]。

先将光纤一端接光谱仪，光纤另一端放在水平基座上，与光源高度一致，并左右对齐。装置一侧接通电源使LED发光，另一侧放置光纤，接收LED入射光。测试装置的外观如图1所示。这一切都在黑暗的环境中进行，避免室内杂散光线对实验产生影响，使结果不准。测量装置环境构建完毕后，打开电脑，运行光谱仪SpectraSuite软件，测量数据得到数据文件。

图1 光谱仪正面

图2 接通光源后装置

图3 供电电路板正面

图4 光纤光谱仪USB2000+

进行厂家LED比较测量之前，首先确定发光二极管发光电流大小对光谱是否有红移或蓝移的影响。由于数据量很大，在此不列出具体数据，只画出所有数据的作图结果。

测量条件：测量线路如图5所示，调节供电电源电压，使LED通过的电流能够发生变化，从肉眼觉察LED开始发光时，记下此时的电流值,测量此时对应的光谱数据，然后不断提高供电电压，记下电流值及对应的光谱数据，直到肉眼觉察亮度不再上升时为止。用改变电流所对应光谱数据进行整合作图，如图6所示。将峰值强度数据进行归一化处理，得到图7，从图中可以发现：电流变化对发光峰没有影响，没有发生红移或蓝移现象。

图5 测量线路图

图6 不同电流值的发光光谱

图7 归一化处理后的发光光谱

4 数据采集与分析

用构建好的测量装置对LED进行测量和数据采集，得到波长与相对发光强度对应数据表。经过数据处理后，得到发光峰值及半峰宽。相对发光强度最大值所对应的波长值为峰值波长，半峰宽是指峰高的一半峰宽，即通过峰高的中点作平行于峰底的直线，此直线与峰两侧相交两点之间的距离。下面是将乙厂家蓝色LED灯置于装置上，接通电源后，打开SpectraSuite软件进行数据测量，得到的测量数据，如表2所示：

表2 蓝色LED 灯光源实验数据

将表2的数据导入Origin8里进行数据分析和图表生成，得到图8原始数据表、图9光谱图。

图8 导入Origin 里的原始数据

图9 数据生成的光谱图

经过计算，蓝色LED灯的峰值波长为464.65 nm，半峰值右侧波长为469.68 nm，半峰值左侧波长为454.12 nm，半峰宽为15.56 nm。与可见光光谱颜色划分比较，落在蓝色光谱范围446 nm～475nm中间位置，属于蓝色。

实验一到实验三的完整数据，与表2列出的具体数据形式相同，但数据量很大，在此不列出具体数据，只画出所有数据的作图结果。

（1）实验一得到的数据进行作图，如图10所示：

图10 实验一数据作

实验一中，甲厂家粉红色第一批次的平均波长为626.58nm，第二批次的平均波长为626.86nm，第三批次的平均波长为626.71nm，第四批次的平均波长为626.40nm，峰值范围为624～629nm，半峰宽的值范围为12～15nm，而根据可见光红色的标准值范围为620nm～760nm，属于红色。从图中可以看出，数据点都均匀分布在平均值的两边，没有特别大的异常数据出现，说明甲厂家粉红色的LED产品一致性良好，可推断甲厂家的粉红色LED灯生产工艺比较完整，出现有问题LED灯的几率较低。

（2）实验二得到的数据进行作图如图11所示：

图11 实验二数据作图

在图11(a)数据中，可知乙厂家深红色LED灯的平均波长为675.183nm，峰值范围为655～682nm，半峰宽的值范围为19～38nm，而根据可见光光谱范围中红色的标准值范围为620nm～760nm，属于红色。

在图11(b)数据中，可知乙厂家绿色LED灯的平均波长为521.80nm，峰值范围为511～528nm，半峰宽的值范围为11～35nm，而根据可见光的光谱范围中绿色的标准值范围为500nm～578nm，属于绿色。

在11图(c)数据中，可知乙厂家深蓝色LED灯的平均波长为465.61nm，峰值范围为464～469nm，半峰宽的值范围为22～27nm，而根据可见光的光谱范围中蓝色的标准值范围为446nm～464nm，属于蓝色。

在图11(d)数据中，可知乙厂家深绿色LED灯的平均波长为521.801 m，峰值范围为512～529nm，半峰宽的值范围为11～35nm，而根据可见光的光谱范围中红色的标准值范围为500nm～578nm，属于绿色。

从图中可以看出，数据点都均匀分布在平均值的两边，没有特别大的异常数据出现，可推断这个厂家生产的深红色、绿色、深绿色、深蓝色LED产品一致性良好。

（3）由实验三得到的数据进行作图，如图12所示：

图12 实验三数据作图

在实验三中，经计算可得到A 厂家30组蓝色LED灯的平均波长为463.29nm，峰值范围为455～467nm，半峰宽的值范围为8～28nm。B 厂家30组蓝色LED灯的平均波长为462.53nm，峰值范围为456～469nm，半峰宽的值范围为18～29nm。C 厂家30组蓝色LED灯的平均波长为465.14nm，峰值范围为459～477nm，半峰宽的值范围为19～28nm。D 厂家30组蓝色LED灯的平均波长为463.49nm，峰值范围为454～467nm，半峰宽的值范围为22～28nm。根据可见光的光谱范围中蓝色的标准值范围为450nm～480nm，属于蓝色。由图得知，A、B、C、D 四个厂家的峰值与半峰宽的数据点都均匀分布在平均值的两边，没有特别大的异常数据出现，可推断产品一致性良好。

5 结论

通过对四个生产厂家的LED数据测量，得到下列结论：(1) 数据表明了电流变化对发光峰没有影响；(2)在正常亮度的情况下，数据点都均匀分布在平均值的两边，没有特别大的异常数据出现，可判断厂家生产的LED产品一致性比较好；(3) 粉红色LED灯的峰值范围在624-626nm，半峰宽的值范围为12～15nm；绿色LED灯的峰值范围为511～528nm，半峰宽范围为11～35nm；蓝色LED灯的峰值范围在462-465nm，半峰宽的值范围为18～28nm，半峰宽比较窄，色纯度都比较高。