(LED光谱波长分析系统的设计 77页 28765字 包括开题报告 文献综述 任务书 外文翻译 程序 电路图 答辩记录等）

摘要：近年来，我国在LED产业发展非常迅速，在技术方面不断取得突破，应用越来越广泛，用户对LED产品质量有了更高的要求，所以对LED光参数的测量也提出了更高的要求。一些企业所依赖的进口测试和分选设备价格很高。因此，自主研究LED参数的快速测试仪器对促进我国的LED产业发展和提高LED的产品质量具有重要的意义。
本文在发光二极管的特征参数及其测试条件的理论基础上，提出了一种能够对LED相关光参数，如峰值波长、半宽度（峰值波长和半宽度可有效反映LED发光的物理特性）进行测试的分析系统的设计方案，并通过实验在实践中对相关的理论和测试方法进行了探讨。该系统采用光栅单色仪作为分光系统,用硅光电二极管作为光电探测传感器，通过OP07及LM324进行电路放大、滤波。通过转动单色仪的光栅，对LED光源发出的光进行色散入射到探测传感器，使光信号转化为电信号，再进行放大滤噪。通过电信号电压值的测量，可计算出该LED的峰值波长、半宽度。该系统能够完成相应的测量，达到了预期的设计目的。

关键词：发光二极管（LED）;峰值波长;探测器;LED光谱;光电转换



The Design of Spectrum Wavelength Analysis System for LED
Abstract: Recently LED industry develops very quickly in our country, and has obtained the breakthroughs continuously in LED technique; therefore its applications are more and more popular. The user has higher requirements on LED product quality, Therefore, the measurement of LED parameters has higher demand. Some companies rely on the import testing and sorting equipment, thus the cost of production is very high. So there is great significance of researching on the fast test apparatus of the LED parameter to promote our country’s LED industrial development and the product quality.
On the basis of characteristic parameter and test condition of LED, this thesis proposes a method which can systematically analyze the test to the related LED’s light parameters such as the peak wavelength and half-width(the peak wavelength and half-width Can effectively reflect the physical characteristics of the LED). Simultaneously, And through experiments we explores into the related theories and measurements in the practice. This system adopts the monochromator of grating as the system of light dispersion, Then it takes the silicon as photoelectric detection sensor, through OP07and LM324 to command the circuit. By rotating the grating of monochromator, the light which be sent off by the source was dispersed and rip into the detection sensor, so the optical signals are transformed into the electrical signals, then the electrical signals are enlarged and the noise are filtered, through the measurement of the voltage, we can calculated the peak wavelength and half-width of the LED .This system can complete the corresponding measurement, and achieve the request of the design.
Keywords: light emitting diodes (LED); Peak wavelength; detector; LED spectrum; Photo-electricity transformation;
Classification: TN21.5


目 次
摘 要 I
目 次 III
1 绪论 1
1.1 研究目的与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文所做工作 4
2 理论基础知识 5
2.1基础知识 5
2.1.1 LED光源 5
2.1.2相对光谱能量(功率)分布 6
2.1.3 单色仪 7
2.2 常用LED测量系统结构 10
3系统设计 11
3.1 原理 11
3.1.1 LED测量参数 11
3.1.2 分光系统 12
3.1.2 探测器 12
3.2 系统框图 13
3.3 控制电路 13
3.3.1 光电转换与前级放大器 14
3.3.2 滤波器设计 16
3.3.3 主放大电路 20
3.3.3总电路模块 21
3.4 测试结果 21
4.总结 23
参考文献 24
附录A 26
作者简历 27
学位论文数据集 28


1 绪论
1.1 研究目的与意义
LED是近几年来迅速崛起的半导体光电器件。它具有体积小、价格低，重量轻、电压低、电流小、亮度高，发光响应速度快，驱动电路简单等优点[1]，已经从早期的只能被应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表，到现在开始出现在超亮度的领域，如被广泛运用在汽车，手机，显示屏，电子仪器和工业系统及照明领域中[2]。近年来，LED技术不断获得新的进展，其发光效率的逐步提高，特别是高亮度的蓝，绿光LED技术和白光LED技术的突破，使LED的应用范围不断拓宽，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的本世纪极具发展潜力的电子产品之一[3-4]。
近年来，随着半导体照明应用领域的拓展, 使得LED芯片向大功率方向发展，半导体照明产业迅猛发展，所以对LED参数的测量也提出了更高的要求。一直以来，LED光学参数测试再现性差，不同测试装置之间的测试结果一致性差，使准确定量测量LED及其应用产品的各种特性变得越来越重要。发达国家非常重视LED测试标准的制订, 例如美国国家标准检测研究所(NIST)组织国际知名测试专家开展LED测试的研究，重点研究LED发光特性、温度特性和光衰特性等测试方法，试图建立整套的LED测试方法和技术标准，在LED测试方面已经走在了世界的前列。日本成立了“白光LED测试研究委员会”，专门研究照明用白光LED的测试方法和技术标准。世界发达国家为了抢占LED研究的制高点，在LED标准和测试方面都投入了大量的人力物力，在标准方面注重选择LED的特性参数及测试方法的研究。
不同的应用场合，也决定了对LED产品的性能要求。从光学性能来看，用于显示的LED，主要是亮度、视角分布、颜色等参数。用于普通照明的LED，更注重光通量、光束的空间分布、颜色、显色特性等参数，而生物应用的LED，则更关心生物有效辐射功率、有效辐射照度等参数。此外，发光二极管既是一种光源，又是一种功率型的半导体器件，因此有关它的质量必须从光学、电学和热学等诸多方面进行综合评价。
从目前LED产品的结构及产业发展的角度看，照明LED产品主要需考虑光学性能、电性能、热性能、辐射安全和寿命等几方面的参数。
针对LED参数的测试标准，需要有测试仪器对LED的参数进行测量。因此，自行研究LED参数的快速测试技术对促进LED的产业发展和提高LED的产品质量具有重要的意义。
1.2 国内外研究现状
LED是一种把电能直接转换成光的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统等组成。由于LED是一个定向辐射光源，带有成像光学系统，而且是带状光谱辐射源，在光电性能测试中，因测试方法不统一，仪器性能的差别大以及操作的不规范等等因素，往往难以得到比较一致、准确的结果。
针对LED特殊的光电特性,并按照国际照明委员会(CIE)的要求，研制出测试仪器,可以较好地解决照明LED测试中的常见问题。LED光电测试是检验LED光电性能的重要手段，相应的测试结果是评价和反映当前我国LED产业发展水平的依据。
一、 国外的研究现状
国际上，美国、德国和日本等国家在LED的检测仪器方面起步较早，并形成了一定的特色。美国重点研究LED发光特性、温度特性和光衰特性等测试方法；日本专门研究照明用白光LED的测试方法和技术标准。国外LED制造商在选择测试仪器时，最看重的是可靠性、效率和高性能等因素。国外系统测试结果具有追溯到国家标准技术研究院(NIST)辐射测量、光度测量和颜色测量结果的能力，他们的检测仪器能在不到60秒内，对一组多达20个不同的LED同时进行各种电气和光学参数测试。在一次测量过程中，可以同时测量的光学参数包括：光谱辐射强度和光通量、峰值波长和主波长、半带宽/全带宽、CIE纯度、CIE色度等，电气参数包括正向电流、漏电流、反向电压等数据。
国际上的LED光学测量仪器以德国Instrument Systems公司为代表，涉及LED的光谱、光度、色度测量仪器。如SPECTRO 320和CAS-140B/C等光谱辐射分析仪。SPECTRO 320是一款以光电倍增管作为探测器的扫描式光栅光谱仪，主要应用于实验室的高精度测量，后者是采用CCD列阵探测器的多通道光谱仪，测量速度快，以工厂使用较为普遍。
在便携式光学测量仪器方面，国际上日本的TOPCON和美能达等公司的仪器有一定的知名度。
功率型LED应用产品的热通道的设计是提高产品综合质量指标的重要工作。热性能检测仪器是功率型LED研发和制造中的关键仪器之一。目前国际上可用于LED热性能分析的仪器也刚推出不久，以欧盟研发计划支持的匈牙利产的热阻测试仪器为代表。该仪器采用国际半导体器件联盟推荐的电测量方法。
二、 国内的研究现状
在国内，近几年 LED的检测仪器发展非常迅速，已逐步研发成功了从LED芯片、发光材料、LED管、LED灯和灯具等产业的上、中、下游各个环节的检测仪器，包括实验室研发用的检测仪器、生产线上的自动检测和分选设备以及产品的品质检验用仪器。
测量指标包括：光谱、光度、色度、辐射、电参数、热阻、可靠性和寿命等参数[5]。在实验室研发及品质检测仪器方面， 基本上可以满足国内LED产品发展的一般需求。如LED光色电参数综合测试仪：由2048像元CCD阵列光谱分析系统，一套内置精密恒流源和光电参数测量系统组成，针对光色电参数测试功能齐全，用于各种LED的光谱分析，同时能测量相关光电参数。适宜对测量结果要求较高的单位使用。
在国内，在便携式光学测量仪器方面，杭州新叶光电工程公司的全数字式照度计和亮度计、北京师范大学光电仪器厂的照度计和亮度计等仪器，在常规应用场合均可替代进口的仪器。
国内类似的LED结温和热阻检测仪器，亦已由杭州浙大三色仪器有限公司研发成功。国产的LED200热性能分析仪，还综合了光谱、光度、色度和辐射度等参数检测功能，为功率型LED综合性能的检测提供了极好的平台。
相对于国外的测量仪器，国内的仪器价格上往往有比较大的优势，只有进口仪器的几分之一，这对国内众多的中小型LED企业初期的产品质量的提高起到一定的积极作用。但是，由于某些仪器制造的技术水平以及对LED测量标准的认识差距，使得各个厂家之间的仪器测量结果往往存在明显的差别。典型的情况，如发光二极管的轴向光强的测量，普遍存在测量结果的可对比性差。对于同一LED管子，两个厂家之间的测量结果可能存在百分之十几，甚至百分之 几十的误差，远远超过一般的光度测量精度范围。
从国内外现有的LED检测仪器来看，基本上是针对发光二极管的测试要求。随着功率型LED的发展，对测试方法的统一和仪器的要求，越来越受到大家的关注。现有的许多测试仪器，对于照明用LED灯的测量将会带来很多新的问题。因此，在选购和使用LED测量仪器的过程中，必须根据产品的种类、特性及相关的国内外标准来确定。　　随着LED产业的飞速发展，行业内应针对LED产品不同阶段的要求，尽快制定统一的检测方法和标准，形成符合实际需求、有中国自主知识产权的检测仪器，从而有利于上、中、下游各产业链的相互配合和协调发展，促进照明LED市场竞争力的提高。值得注意的是，检测仪器是产品质量分析和判断的杠杆，仪器的精度和可靠性应该是最重要的指标。中国的仪器制造企业，应该发展更多具有国际先进水平的检测仪器，满足照明LED产业不断发展的需求[6]。
国家标准的制定总结了现有LED的测试方法，将其中的科学适用的方法升级为标准测试方法，很好地消除了各界在LED测试领域存在的分歧，也使测试结果更加真实地反映我国LED产业的整体水平。但是鉴于LED技术还在处于不断地发展之中，国家标准的制定并不是一劳永逸的，应当时刻将最新最合适的测试技术引入标准之中[7]。
1.3 本文所做工作
现在测试基本上有三种方法：
一是把测量光用若干块不同波长的带通滤光片过滤后到达光探测器，光探测器一般用光电倍增管和硅光电二极管。
二是把测量光经衍射光栅分光后到达线阵CCD电荷耦合器件。
三是用单色仪分光后进行测量[8]。
本文的设计方案是：系统采用光栅单色仪作为分光系统，用硅光电二极管作为光电探测传感器，通过OP07及LM324进行电路放大、滤波。通过转动单色仪的光栅，对LED光源发出的光进行色散后入射到探测传感器，探测传感器可使光信号转化为微弱的电信号，最后进行放大滤噪。通过电信号电压值的测量，可计算出该LED的峰值波长、半宽度。