《光学设计性实验》word版

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1、发光二极管参数的测量和研究发光二极管（lightemissiondiodeLED）现已广泛应用于户外显示屏、交通灯、汽车灯及电子设备和工业设备指示灯等方面,因其具有体积小、功耗低、寿命长、反映速度快、适合量产等诸多优点；同时，发光二极管也符合节能、环保的绿色照明光源。目前它已进入功能性照明领域，正在逐步进入普通照明领域，以替代白炽灯和荧光灯。它是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯（HID后的第四代新光源。对其物理参数的测量和研究是具有重大的经济效益和社会意义。实验原理1.发光二极管的结构和发光原理发光二极管（LED）,是

2、电能转换成光能的能量转换装置。发光二极管的结构如图，LED的核心材料是III-V族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）、AlGaAs（砷化铝镓）等半导体制成，其核心是P-N结，具有一般的P-N结伏安特性，即正向导通、反向截止、击穿的特性。它的发光是由半导体中的电子-空穴的复合产生的。LED是一种直接注入电流的发光器件，是半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时，发射出光子的结果。对于大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列的角频率为的光波，其中，，是半导体带隙宽度，的单位是eV,的单位是nm光P电

3、极（＋）N电极(-)有源层N型隔离层P型隔离层N型衬底边发射LED结构截面但各波列之间没有固定的相位关系，它们可以有不同的偏转方向，而且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播，这就是通常所说的自发发射跃迁。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进人对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。LED的光学参数测定目前人们公认的光通量测试、发光强度测试、光强分布测试、光强功率分布和色度参数测试。此外，LED的正向工作电压（一般定义注入电流20mA）、热特性参数、外部量子效率、色度等也是需

4、要关注的。测量以上参数，基本就能够满足各方面对LED测试的基本要求。52.光度学的几个概念⑴光通量：辐射体发出的不同波长的光对人眼是有不同的灵敏度的。其对应的生物物理量为视见度函数，对于明视觉，若辐射体的光谱辐射通量为，其光通量的表达式为：，为辐射的光谱光效能的最大值，在明视条件下的值为6831(当)，单位为流明（lm）⑵发光强度（光强I）光源在给定的方向单位立体角内发出的光通量为光源在该方向上的发光强度，单位为坎德拉（cd）⑶光照度E在被照物体表面上，单位面积内接受到的光通量称为光照度，它是表征表面被照明程度的量单位是

5、勒克斯（lx）。该单位较小，满月夜晚的地面照度约为0.2lx，白天采光良好的室内照度为100～500lx，晴朗的室外太阳非直射下的地面照度为103～104lx，而中午太阳直射下的地面照度可达105lx.一般推荐办公室的平均水平照度为500~1000lx；在商业照明中，推荐的垂直照度平均值为300～500lx.⑷发光效率发光效率是指一个光源发出的光通量与光源消耗的电功率之比。二、实验内容1.伏安特性测试自行设计测试电路，经老师检查后才能进行实验表1发光二极管（红色、绿色、白色）次数nl2345678910绘制出发光二极管的

6、伏安特性曲线给出一例作参考5注：导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”；毫安表上的读数应控制在20mA内。2.发光强度、光通量测试发光强度是LED的一个重要光度学特性参数，一般而言，光强的测量都是在远场的条件下进行的。这时，光源和探测器之间的距离比光源发光面的尺寸大得多，探测器得直径比测量距离小得多。而实际LED测量时，距离较小，探测器得直径也不小（11.3mm），这样测得的光强是平均值。而且这个平均值与测量的具体距离有关。为此，国际照明委员会（CIE127-

7、1997）在1997给出两种试行标准CIE测定LED平均光强的条件A和B条件测量距离(mm)探测器面积(mm2)，直径(mm)立体角(sr)平面角A316100(11.3)0.00120B100100(11.3)0.016.50光通量测试：发光二极管有多种颜色、多种外部形状的，我们可根据二极管的不同工作电压（电流）测定测定二极管的光通量，计算发光二极管的发光效率。按如下图示搭建器材，实验操作步骤详见实验室操作板。53.光谱特性测试a.光栅单色仪的结构分光系统光源接收系统透镜图1单色仪的组成PMTM2GM1S1：入射狭缝S

8、2：出射狭缝M1：离轴抛物镜G：闪耀光栅M2：反光镜PMT：光电倍增管S2b.LED的光谱特性及测试方法由于LED没有光学谐振腔选择波长，所以它的光谱是以自发发射为主的光谱，图中显示出了LED的典型光谱曲线。发光光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的波长差称为谱线宽度（简