光电子学实验之LED原理及特性测试

实验前——预习要求

? 通过教材或者LED说明书了解典型LED的参数（只有熟悉器件的特性才能正确使用器件） ? 明确本次实验的内容——测量LED的哪几个特性？

? 对于每个特性具体的测量原理是什么？如何进行测量？（尤其是发光强度和光谱特性实验） ? 自学单色仪（光栅光谱仪）的工作原理——以便理解LED光谱特性测量

实验起始——熟悉实验仪器及系统软件

? 总体认识：各个部分的名称、认识提供的几种光电探测器件实物加深印象

? 结构认识：仔细观察各个部分的结构设计，为日后自己设计提供素材，同时提高实验效果 ? 关注实验平台右下角的小结构设计

? 提供单色仪的内部结构图片

? 软件界面认识

入缝

溴钨灯 单色仪

游标型旋转平台 硅光电池型

光功率计

实验一 LED V-I特性测试

实验注意事项

? 实验前将电压调节逆时针旋到极限位置；

实验数据要求（分别对白光和红光LED进行实验）

? 首先确定电流刚开始产生到最大可达到电流Imax时对应的两个电压值V1-V2

? 在V1-V2之间等间隔取10组数据分别记录正向电压和正向电流数据

? 或者在0～Imax中间等间距记录10组数据；

实验报告要求

? 整理实验数据表格，并利用Matlab绘制出白光/红光LED的V-I特性曲线

课后思考题

? 调研不同颜色LED的正向电压和正向电流及反向的参数特性。

? LED的驱动电路如何设计？

? 电路如何设计保证对待测LED的正向电压安全考虑？

实验二 LED 辐射强度空间分布及半值角的测量

预习知识点

? 辐射通量和电通量的知识回顾——应用光学光度学部分名词的定义

? CIE标准中的平均发光强度的意义

? 半值角的概念

操作思考题

? 如何保证LED的出光面始终对准转台转轴？

? 光功率计调节中要注意哪些方面？

? 在实验步骤2中如何快速找到最大光功率所对应的转台角度？

实验提示

? 光功率的得到是通过CSY10E系统软件获得，打开软件选择合适的标签。然后，打开实验平台上的

单色仪开关（左下角），并点击软件中的启动单色仪，待单色仪初始化完毕后就可以正常使用光功率的获取功能

实验注意事项

? 实验前将电压调节逆时针旋到极限位置；

? 外界光线对实验测量有影响，甚至当外界光一定强时会造成软件异常（现象：弹出异常对话框）；

实验数据要求（要求至少对红光LED进行实验，有兴趣进行普通白光LED和磨平的白光LED） ? 顺/逆时针从0度到90度每隔10度输入一组数据（共2×9+1=19组）

? 保存实验数据文件

实验报告要求

课后思考题

? 步骤1和步骤3中选用的反馈电阻阻值发生改变，原因是什么？反馈电阻的作用是什么？

实验三 LED P-I特性测试

实验提示

? 本实验内容可以和实验一内容进行整合，在本实验中能够完成实验一的部分较小电压时对应的数

据，一旦软件异常之后，继续手工记录数据即可完成实验一剩下的实验数据任务。

实验数据要求（对红光LED进行实验）

? 软件中输入至少10组数据；

? 保存实验数据文件

实验报告要求

? 整理实验数据并计算LED的辐射效率

课后思考题

? 测量光功率的原理是什么？

? 如何设计光功率计（采用硅光电池）？

实验四 LED 光谱特性测试

实验提示

? 本实验关键要熟悉软件的功能

操作思考题

? 实验二/三都将探测器接到插孔2.3，为什么本实验中的光电三极管探测器接到插孔1.2之间？

实验注意事项

? 实验中如果错误操作软件系统设置菜单下功能，所测得的光谱特性将与事实不符

实验数据要求（对白光和红光LED进行实验）

? 测量380～1080nm区间的光谱特性曲线

? 通过步长为1nm扫描确定LED的峰值波长以及谱宽（仅针对红光LED）

? 保存实验数据文件

实验报告要求

课后思考题

? 单色仪的工作原理？如果将单色仪的入缝和出缝使用对调，会有什么结果？

实验报告要求

一、实验目的

1． 了解LED的电学特性，包括正向电流、正向压降、反向电流、反向压降；

2． 对LED的极限参数有明确的概念，正确、安全的使用LED；

3． 了解LED发光的空间特性，半值角的概念和它的意义；

4． 学会用CIE标准定量测量平均辐射（发光）强度及半值角。

5． 了解LED电流注入与辐射功率的关系及其测量方法；

6． 了解LED的辐射（发光）效率。

7． 了解LED的光谱特性及其测试方法；

8． 了解光电探测器的信号放大、处理的原理。

9． 通过电学特性的测量，理解LED的发光机理。

二、实验原理

1． LED的参数有哪些？

2． 本实验主要测量LED的哪些特性？

3． CIE推荐的平均发光强度的概念，测试标准条件及具体的实验装置图

4． 单色仪（光栅光谱仪）分光的工作原理

5． LED光谱测试所需要的实验器件，实验原理

每个特性具体的测量原理，以及进行测量的实验装置和实验方法（尤其是发光强度和光谱特性实验）

三、实验数据处理（曲线和数据可以上交电子版本）

1． 记录并整理实验一数据表格，并绘制出白光和红光LED的V-I特性曲线（MATLAB）

2． 记录并保存实验二数据文件，给出半值角的数值（要求至少对红光进行实验）

3． 记录并整理实验三数据表格，绘制P-I特性曲线，计算出LED的辐射效率

4． 记录并保存实验四数据文件（要求对白光和红光进行实验），给出峰值波长并计算出各自的谱宽。

四、实验中遇到的问题及原因分析

五、课后思考题的解答

1． 实验中多次选用的反馈电阻阻值发生改变，原因是什么？反馈电阻的作用是什么？

2． 光电探测器测量光功率的原理是什么，如何设计光功率计？

3． 测量光谱特性时，是否一定要使探测器接收到LED发出的所有光，这一点与P－I特性的测量有什么差别？

六、实验拓展

调研并详细表述LED在某一方面的应用（给出原理电路图）

第二篇：LED测试原理

文章来源：中国计量科学研究院

１、前言

近30年来，LED发光二极管的技术已经经历了飞速发展的过程。LED以其固有的高效率、长寿命、低损耗、耐振动、响应速度快等优点得到了广泛的应用，比如指示灯、显示屏、交通信号灯等，目前正在探索把它应用于照明领域。

由于我国还未建立LED光度标准，严重地影响了LED产品质量的提高和量值的统一，影响着国际贸易和国际间LED技术方面的交流和推广，因此，虽然近几年来我国的LED产品质量和品种有所提高，但与国外先进国家相比差距较明显。

在这种形势下，我们着手对LED光学参数的测量进行了细致的研究，并进行了LED国家光度标准的建立工作。

２、ＬＥＤ光参数介绍

LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。

２.１发光效率和光通量

发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。

２.２发光强度和光强分布

LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。

２.３波长

对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察现在我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。

３、ＬＥＤ光度测量原理

３．１光强度的测量方法

把光强标准灯，LED和配有V（λ）滤光片的硅光电二极管安装和调试在光具座上，特别是严格地调灯丝位置，ＬＥＤ发光部位及接受面位置。

先用光强标准灯校准硅光电二极管，Ｃ＝E/S

式中Ｅｓ＝IS/(d 2 s)

ｄｓ是标准灯与接受器之间的距离，Ｉｓ是标准灯的光强度，Ｒｓ是标准灯的响应。 Ｅｓ＝Ｃ·Ｒ ｔ 式中Ｅ ｔ 是被测ＬＥＤ的照度，Ｒ ｔ 是被测ＬＥＤ的响应，则ＬＥＤ的光强度Ｉｔ 为：Ｉ ｔ ＝Ｅ ｔ ·d 2 ｔ式中ｄ ｔ 是ＬＥＤ与接受面之距离。 对于ＬＥＤ来讲，其发光面是圆盖形状的，光分布是很特殊的，所以在不同的测量距离下，光强值会变化，偏离距离平方反比定律，即使固定了测量距离，但是由于接受器接受面积不同，其光强值也会变化。因此，为了提高测量精度，应该把测量距离和接受面积大小相对地给予固定为好。例如，测量距离按照ＣＩＥ推荐采用３１６ｍｍ，接受器面积固定为１０×１０ｍｍ。在同一测量距离下，ＬＥＤ转角不同其光强地有变化，因此为了获得最佳值，最好读出最大读数Ｒ ｔ 为佳。

３．２光通量的测量方法

光通量测量在变角光度计的转台上进行，转台上安转了ＬＥＤ，该转台在其水平面上绕着垂直轴旋转±９０度，ＬＥＤ在垂直面上绕着测光轴旋转３６０度。在水平面上和垂直面上的转角的控制是通过步进马达来实现的。转台在导轨上随意移动，当测量标准灯时，转台应离开导轨。

测量时大转盘在水平面上绕垂直轴旋转，步进角度为０.９°，正方向９０°，反方向９０°。ＬＥＤ自身也在旋转，在每一个水平角度下，垂直平面上每隔１８°进行一次信号采集，转完３６０°之后共采集到２０个数据，按下式计算总光通量。

如果大盘旋转０°～９０°时，小盘转０°～３６０°即可。但是大盘旋转０°～９０°时，有可能ＬＥＤ安装不均匀（不对称）而引起误差，因此最好的解决办法是大盘转－９０°～０°～９０°，小盘仍然转０°～３６０°，把大盘０°～９０°和－９０°～０°两个范围内绝对值相等的角度上的照度值取平均值来作为０°～９０°内的值。

ＬＥＤ总光通量测量的第二种方法是积分求法。此方法的优点是简单易行，但测量精度不高。ＬＥＤ的总光通量计算方法如下，先计算离积分球入射窗口（入射窗口面积Ａ）１距离上标准灯（光强值Ｉｓ ）进入积分球内的光通量Φ ｓ ，Φ ｓ ＝Ｉ ｓ ·Ａ／Ｉ 2 读出接收器上的光电流信号ｉ s ，然后把ＬＥＤ置于窗口上，读出相应的接收器光电流信号i t ，则ＬＥＤ的总光通量Φ为：

式中Ｋ为色修正系数。

３．３ ＬＥＤ的光谱功率分布测量方法：

发光二极管的光谱功率分布测量，目的是掌握ＬＥＤ的光谱特性和色度，再者是为了对已测得的ＬＥＤ的光度量值进行修正。

在测量ＬＥＤ光谱功率分布时，应注意以下几点，一个是在与标准光谱辐照度进行比较时由于标准灯的光谱辐强度比ＬＥＤ强得多，为了避免这个问题，最好在标准灯前加一个中性滤光片，使它的光谱辐强度接近于ＬＥＤ。

ＬＥＤ的光谱宽度很窄，为了准确地描绘ＬＥＤ的光谱分布轮廓，最好采用窄带波长宽度的单色仪进行测量，波长间隔为１ｎｍ为好。

按下式计算ＬＥＤ的光谱功率分布Ｅｔ。

式中ｉ是标准灯在波长ｉ处的响应；Ｅ是标准灯的光谱功率分布；ｉ是ＬＥＤ在波长λ处的响应。

ＬＥＤ的色坐标计算公式为：

色坐标为：

ｘ＝X/(X+Y+Z)

ｙ＝X/(X+Y+Z)

也可计算ＬＥＤ的主波长和色纯度。

４、结束语

目前ＬＥＤ的国家光度标准装置已建立并标定了相当数量的标准ＬＥＤ管，在此过程中我们积累了大量的经验，此后我们将对各级计量部门和全面ＬＥＤ生产单位进行量值传递，统一监督。这将对我国ＬＥＤ的质量水平的提高起到促进作用，也会为国家高科技领域的研

究发展从一个方面提供保障。