LED照明光源光谱的研究毕业论文.doc

led照明光源光谱的研究the study of led illumination source chromatography目 录摘要abstract引 言1第一章 绪 论21.1 led概述21.1.1 led的由来21.1.2 led发光原理31.1.3 led优点及应用31.1.4 led缺点41.2 人眼对外界的感知51.3 本文的思路及意义51.3.1 本文的研究思路51.3.2 本文的研究意义5第二章 实验部分72.1 仪器与试剂72.2 仪器的改造72.2.1 722型光栅分光光度计的改进72.3 led单色光分组82.4 led各单色光的测量8第三章 结果与讨论93.1 722型光栅分光光度计的改装与波长校正93.1.1 722型光栅分光光度计的介绍93.1.2 722型光栅分光光度计的工作原理93.1.3 znjc2系列智能计数器的介绍93.1.4 722型光栅分光光度计的波长矫正103.1.5 读数与波长的转换113.2 不同led的照明光谱113.3 使用滤光片后的led光谱173.4 一个扩展应用17结 论19致 谢20参考文献21led照明光源光谱的研究摘要：人对照明光线的感知时，如果光谱中，部分单色光如蓝紫光的成份强度比较大，会引起人视觉功能的伤害和精神的厌恶。本文通过改装的光栅分光光度计，测试了led照明光源的光谱分布，得出了改善led照明的滤光方法。 本文通过分析使用天然黄色素制备的滤光片对led滤光后的光谱，观察了天然黄色素的滤光效果。关键词：led照明；天然色素；滤光片the study of led illumination source chromatographyabstract：as people percepting the light , if the strength of some monochromatic light such as blue violet is large, the visual function damage and spirit disgust can be caused. led illumination source chromatography was test by the modificated grate spectrophotometer and a filter method improving led lighting was concluded.in this article, led lighting chromatography filted by natural yellow pigment was analysed and the filter effect by using the natural yellow pigment was observed. key words: illumination of led; natural pigment; filterii引 言发光二极管简称led(light emitting diode)。近几年，随着led技术的发展和led灯无可比拟的优势，led灯作为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯(hid)之后的新型灯具在照明领域已被广泛应用，小到台灯、手电筒、各种电器上的指示灯、信号灯等，大到室内外照明、路灯、装饰灯、汽车灯具、液晶显示背光模组等1。led由5层非常薄的铟镓一氮化物混合半导体材料构成，层与层之间由镓氮化物分开，其面积仅为1平方毫米。通过调整半导体材料中铟的比例，能够改变led所产生的颜色。例如铟含量为10%时可发出蓝光，20%时可发出绿光。为了生产出白光，需要将蓝色led的内层涂上磷，这样磷产生的黄色光和蓝光可以合成为比较刺目的白光。led灯泡的电能利用效率已经达到30%，从理论上讲最高可以达到70%2。led灯是用高亮度白色发光二极管作为发光源，光效高、耗电少、寿命长、易控制,是新一代固体冷光源，比普通节能灯省电、亮度高、投光远、投光性能好、使用电压范围宽。led的稳定性和长寿命是明显优势：白炽灯的连续工作时间很少可以超过1000小时，采用电子驱动器的荧光灯管的连续工作时间可超过8000小时，但led灯能够无故障工作50000小时以上。现在推广的led由于其发光特性：光色刺目，对保护视力非常不利。在大自然中，最赏心悦目的之一当属植物花卉的色光。本文拟采用我们提取的天然色素，对led灯的色光进行调色，让其刺目的白光转变成为悦目的自然色光。第一章 绪 论1.1 led概述1.1.1 led的由来发光二极管，英文名称：light emitting diode，简称led，是一种电致发光的半导体发光器件。最初led用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的led在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，lumileds公司采用了18个红色led光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是led光源应用的重要领域。这种led是将gan芯片和钇铝石榴石（yag）封装在一起做成。gan芯片发蓝光（p=465nm，wd=30nm），高温烧结制成的含ce3+的yag荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nmled灯。蓝光led基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有yag的树脂薄层，约200-500nm。 led基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。对于ingan/yag白色led，通过改变yag荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000k的各色白光。这种通过蓝光led得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。最早应用半导体p-n结发光原理制成的led光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是gaasp，发红光(p=650nm)，在驱动电流为20ma时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1lm/w。70年代中期，引入元素in和n,使led产生绿光(p=555nm)，黄光(p=590nm)和橙光(p=610nm)，光效也提高到1lm/w。到了80年代初，出现了gaalas的led光源。使得红色led的光效达到10lm/w。90年代初发红光、黄光的gaalinp和发绿、蓝光的gainn两种新材料的开发成功，使led的光效得到大幅度的提高。2000年，前者做成的led在红、橙区(p=615um)的光效达到100lm/w，而后者制成的led在绿色区域(p=530nm)的光效可以达到50lm/w。如今，led灯的发展越来越快,1998年发白光的led也开发成功。越来越多的地方在应用led灯，led灯具也越来越完善了3。 1968年研制成功红橙黄光led，1971年业界推出绿光裸片led，1992年日本nichia公司首次研发出蓝光led。红绿蓝三色led按不同的比例混合，可以呈现出自然界美丽的画面。在led色彩不断丰富的同时，led的发光效率也在飞速发展，第一只红光led的光通量只有千分之几个流明，发光效率约为0.1lm/w。1968年红橙黄光led的发光效率达到1lm/w，八十年代其发光效率达到10lm/w，近几年来led的发光效率更是达到几十上百流明每瓦。1996年日本nichia公司推出白光led。从此，led进军照明领域4。随着led的工业化生产速度不断加快，规模不断扩大，在制造工艺、亮度、效率、色彩等方面都取得了实用化的进展，使led受到越来越多人的青睐5。我国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态物理重点实验室发起研究了一种以照明为目标的有机白光发光二极管（woled），该二极管是用npb作绿光和黄光基质，用作空穴传输材料，cbp（4,4-n,n-二咔唑基联苯）用作红光磷光配合物的基质材料。其性能参数达到了白光照明光源的要求6。随后浙江大学现代光学仪器国家重点实验室研究的多层芯片白色led技术，一个由四个高能led灯色温混合的led光源被研究出来7。1.1.2 led发光原理led发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。led的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是p型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是n型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个p-n结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向p区，在p区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是led灯发光的原理8。而光的波长也就是光的颜色，是由形成p-n结的材料决定的。1.1.3led优点及应用led灯是用高亮度白色发光二极管作为发光源，光效高、耗电少、寿命长、易控制、安全环保9。led日光灯采用最新的led光源技术10，数位化外观设计，节电高达70%以上，12w的led日光灯光强相当于40w的日光灯管（用于镇流器和启辉器，36w的日光灯真正的耗电量为42w至44w）。led日光灯寿命为普通灯管的10倍以上，几乎免维护，无须经常更换灯管、镇流器、启辉器。绿色环保的半导体电光源，光线柔和，光谱纯，有利于使用者的视力保护及身体健康。6000k的冷光源给人视觉上清凉的感受，人性化的照度差异设计，更有助于集中精神，提高效率。1998年发白光的led开发成功。这种led是将gan芯片和钇铝石榴石（yttrium aluminum garnet，yag）封装在一起做成。gan芯片发蓝光（p=465nm，wd=30nm），高温烧结制成的含ce3+的yag荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光led基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有yag的树脂薄层，约200-500nm。 led基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于ingan/yag白色led，通过改变yag荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000k的各色白光。这种通过蓝光led得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。上个世纪60年代，科技工作者利用半导体p-n结发光的原理，研制成了led发光二极管。当时研制的led，所用的材料是gaasp，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的led，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光led仅在近年才发展起来。1.1.4 led缺点目前，日常应用的led产品主要是近紫外、可见和近红外波段。因此，led产品的光辐射危害主要考虑眼睛的近紫外辐射损伤、视网嗅蓝光的光化学损伤和辐射的热损伤11。随着led技术的发展，市场上出现了越采越多的大功率、高亮度的led产品。随着芯片功率的提升。光子晶体等新技术的应用，芯片出射光的辐射亮度大幅度地提高；通过增大驱动电流、多芯片集成，led产品的功率越来越高；通过增加二次光学设计，如采用透镜会聚等，led的光束越来越窄，视网膜受到的辐射越来越强；此外，紫外和蓝光波段的短波led芯片被广泛应用，使led的危害性更加显著。尤其是波长440nm左右的蓝光辐射对人眼视网膜产生的光化学危害性明显提高，尤其是婴儿和儿童，眼睛对短波长光的过滤能力不如成年人；而且老年性的视网膜黄斑区功能性退化与蓝光辐射的伤害也有直接的关系。另外，led台灯点灯的时间越长，光源中的荧光粉衰减越快，结果就会导致人眼接触的蓝光波段的光照越来越强烈，从而对人眼造成伤害。所以眼睛长期看led光源，容易让人产生头晕眼花、不舒服的感觉，甚至会造成眼晴伤害，使得患眼病的机率会有所提高12。1.2 人眼对外界的感知眼球呈球状、直径约20 mm。眼球的前面覆盖着透明的角膜(cornea)，角膜里面有虹膜，最里面有晶状体。晶状体是个双凸的透镜，在未调节的状态下后面的曲率半径较小。在眼球的内部充满了胶状的透明的玻璃体。而在角膜和晶状体之间充满了房水液。 光线从外界进入眼球，通过角膜、房水液、晶状体和玻璃体到达视网膜。为了使外界的物体正好在视网膜上成象，焦点的调节是通过改变晶状体的曲率(特别是前面的曲率)来进行的。瞳孔是在虹膜中央开着的一个圆形小窗，它的直径是由入射光量来调节的，它能遮挡住边缘光。但是光量的调节在视觉系统能够处理的强度范围，即动态范围可达到l06倍以上，由于瞳孔直径的变化只不过是几倍，因此瞳孔对光量的调节怎么也不能说是充分的。在这种意义上来说，敏感度的调节主要是由下面要谈到的视网膜的适应作用来承担的。 为了使要看的目标物的象正好落到视网膜的中央。整个眼球就要旋转，这样的限球运动是靠外眼肌来进行的。总之，如眼球图所示，由六块外眼肌把眼球固定在眼框中，眼球的周围包以脂肪。而且由于这六块外眼肌的作用，眼球能够进行中心部大致固定的旋转运动。基于现代颜色视觉理论，不同的锥状感光细胞对外界刺激进行选择性吸收，而每一种感光细胞亦可以单独产生明暗(黑白)反应，在感受器这一水平符合杨一赫姆霍尔兹三色学说。神经冲动在传输过程中，则三色反应重新组合成三组拮抗神经反应，即红一绿、黄一蓝及白一黑，这与赫林四色学说相符合，视觉过程的最后阶段发生在大脑皮层的视觉中枢，使人产生明暗及颜色感觉，对刺激的明暗感受与颜色的感觉过程是相互交织的13。1.3 本文的思路及意义1.3.1 本文的研究思路（1）对led的光谱进行测量、分析、对比；（2）根据分析结果找出led光源的滤光方案；1.3.2 本文的研究意义led有节电、轻便、光效高等优点，是目前推广的一种新光源。现在推广的led中的相当大一部分，其发光色刺目，对保护视力非常不利。本文试图通过对其各单色光的研究及深入了解，分析结果找出过多的led光源的单色光，并将其过多的led光源，改善为悦目的光调，以达到人们在使用中心情愉悦和保护视力的效果。第二章 实验部分2.1 仪器与试剂（1）t6新世纪紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；（2）1mm厚黄色素滤光片 本实验室自制；（3）722型光栅分光光度计； （4）znjc2 智能计数器 淘宝乐清市信尔电子有限公司； （5）led单色二极管 市售；2.2 仪器的改造2.2.1 722型光栅分光光度计的改进由于年代久远，仪器内部的同步带老化不能正常工作，所以我们用znjc2系列智能计数器来改装记录转动数据，通过大量实验来得出转动数据与波长之间的关系，进而达到和之前同步带同样的操作结果。改装步骤：第一步：我们测量主动轮周长9.9cm,这样取双面胶（带纸皮）总长9.9cm,贴在玻璃墙上用直尺准确分为九段（即十个等间距间隔），用模板及圆规尖头将十个等间隔处镂空为圆形（直径略大于磁子直径）切圆心为中线中点，为下一步将磁子均匀的粘在主动轮上做准备；第二步：将均匀镂空的双面胶带很细心的粘贴在主动轮表面，然后用改性丙烯酸酯胶黏剂（哥俩好）将磁子通过双面胶的镂空处粘在主动轮表面共十个；第三步：安装接收器，首先用泡沫做成仪器内部空余处的模子，能够牢牢卡住为止，将接收器用胶带固定在模子下面方便去接近磁子，使调接收器与磁子的间距大概间隔1mm时，加减数据最为灵敏、然后将模子用胶带牢牢的固定在仪器内部；第四步：由于主动轮上安装10个磁子、故手柄每转一圈计数为十，所以我们在以手柄圆盘圆心为圆心、圆盘直径为直径做圆，并将圆形处理、圆弧分为20等分，每等分相当于0.5个读数，同时为使得读数相对精确，我们用线绕法测得手柄圆周长126mm，用纸条取长126mm宽15mm同样分隔20等分并画出线条贴在手柄圆盘周长上，同时所画刻线与所作圆弧等分点一一对应，在仪器侧面画一竖线作为参考点，每次测量开始电子计数器必须归位处理，处理后一个方向记录数据直至该组测量结束，下一组同样操作步骤。改装完成。2.3 led单色光分组（1）第一组：白光、蓝光、绿光、黄光、红光； （2）第二组：红a光、黄a光、亮白光、暖白光、白a光。2.4 led各单色光的测量测每个led灯的电流，控制每组led灯电流应一样。首先用电流表控制led的电流，然后开始详细的测量每组的透光度，先粗测看看在哪个读数的时候透光度最大，其后细测每隔0.5个读数记个透光度，作图。在读数78左右时仪器有一个漏光点、故漏光点输之前的读数以及对应的透光度我们不作为记录部分，我们采用从漏光位置为基准点开始计数，在最大透光度左右每隔0.5个数记录一次数据，其他部分可适当间隔大点记录数据，最后做出所测试样的图谱。第三章 结果与讨论3.1 722型光栅分光光度计的改装与波长校正3.1.1 722型光栅分光光度计的介绍722型光栅分光光度计采用光栅自准式色散系统和单光束结构光路。 钨灯发出的连续幅射经滤色片选择聚光镜聚光后投向单色器进狭缝,此狭缝正好处于聚光镜及单色器内准直镜的焦平面上，因此进入单色器的复合光通过平面反射镜反射及准直镜准直变成平行光射向色散元件光栅，光栅将入射的复合光通过衍射作用形成按照一定顺序均匀排列的连续单色光谱，此单色光谱重新回到准直镜上，由于仪器出射狭缝设置在准直镜的焦平面上，这样，从光栅色散出来的光谱经准直镜后利用聚光原理成象在出射狭缝上，出射狭缝选出指定带宽的单色光通过聚光镜落在试样室被测样品中心，样品吸收后透射的光经光门射向光电管阴极面。实验室用分光光度计进行化学分析测量前必须送交计量部门按照jjg 178 200714进行检定，经检定合格方可使用。3.1.2 722型光栅分光光度计的工作原理分光光度计是根据物质的分子对紫外、可见、红外区辐射(光) 的选择性吸收和朗伯比耳(lambertbeer) 定律对物质进行定量分析和定性鉴别的仪器15。仪器由光源、单色器、样品室、检测器、显示系统5 部分构成16。722 型分光光度计是以卤钨灯为光源，衍射光栅为色散元件，端窗式光电管为光电转换器的单光束数显式分光光度计。仪器波长刻度盘下面的转动轴与光栅上的扇形齿轮相吻合，通过转动波长刻度盘而带动光栅转动，以改变光源出射狭缝的波长值，波长范围为360 800 nm17。3.1.3 znjc2系列智能计数器的介绍 智能计数器是利用数字电路技术数出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果的数字化仪器18。智能与各类传感器、变送器配合使用，可对温度、压力、液位、流量、重量等工业过程参数进行测量、显示、报警控制、变送输出、数据采集和通讯。 可逆计数器是既能进行加法计数又能进行减法计数的计数器，它在结构上又可分为单时钟结构和双时钟结构，单时钟结构可逆计数器实质上是将加法计数器和减法计数器的控制电路合并，用一根加减控制线来选择是加法计数还是减法计数，电路只有一个时钟信号输入端。双时钟结构可逆计数器则是分别由加法计数脉冲和减法计数脉冲来控制可逆计数器，是进行加法计数还是减法计数，电路需要2个不同的脉冲信号源。该计数器采用的是单时钟结构19。3.1.4 722型光栅分光光度计的波长矫正用改装过的仪器来从最小读数（手柄能达到的最低值）开始，每隔0.5个读数记一下钕玻璃的透光率，仔细测量一组完整的数据，通过所记录数据用origin软件处理作图（如图3.1）与通过紫外扫描钕玻璃的图谱20（如图3.2）作对比，通过两图上对应的六个点读数（六个点见图3.2显示），其中用改装仪器的读数减去本组数据的漏光点做x轴，紫外扫描的波长做y轴,来用线性回归软件来做出其回归方程y = -5.67015933375381 + 1.51306297389247 x (3-1)下一步核对偏差，任取几个改装仪器的读数（漏光点以后）减去漏光点作为x，带入上面的回归方程来验证所得数y与紫外光谱所扫描出来的波长偏差，经核实，偏差很小。故回归方程可以作为我们实验所需的波长转换工具利用。图3.1 722分光光度计扫描钕玻璃的图谱figure 3.1 722 spectrophotometer scanning neodymium glass map图3.2 紫外扫描钕玻璃的图谱figure 3.2 uv scanning spectrum of nd glass 3.1.5 读数与波长的转换在实验过程中，由于我们的读数都是电子继电器读出的数字并非波长，因此首要工作是我们必须把读数转换为波长方可作图。每组测量都要从旋柄最初起点开始，每组的漏光点及722型光栅分光光度计自身缺陷的位置都要较精确的记录，然后测量之后的各个数据。测量结束后，我们用本组的读数来减去该组的漏光点读数也即读数的归位处理。归位处理后的数据根据我们上一步骤的波长矫正方程(3-1),带入读数得到一一对应的y值即为其所对应的波长。3.2 不同led的照明光谱1.白光在7ma（图3.3）的图谱，经分析第一个峰峰宽84.7nm,在=447.5时最高峰高89.7；第二个峰宽195.2nm，在=526.2时最高峰高20.3。图3.3 白光光谱figure 3.3 the white light spectrum2.红光在7ma（图3.4）的图谱，经分析峰宽46.9nm,在=629.8时最高峰峰高67.2。图3.4 红光光谱figure 3.4 the red light spectrum 3.蓝光在7ma（图3.5）的图谱，经分析峰宽69.6nm,在=458.1时最高峰峰高194.1。图3.5 蓝光光谱figure 3.5 the blulight spectrum 4.绿光在7ma（图3.6）的图谱，经分析峰宽83.2nm,在=560.2时最高峰峰高25.5。图3.6 绿光光谱figure 3.6 the greenlight spectrum 5.黄光在7ma（图3.7）的图谱，经分析峰宽68.1nm,在=587.5时最高峰峰高170.8。图3.7 黄光光谱figure 3.7 the yellowlight spectrum 6.黄a光在8ma（图3.8）的图谱，经分析峰宽62nm,在=592时最高峰峰高146.7。图3.8 黄a光光谱figure 3.8 the yellow alight spectrum 7.红a光在8ma（图3.9）的图谱，经分析峰宽68nm,在=636.6时最高峰峰高63.9。图3.9 红a光光谱figure 3.9 the red alight spectrum 8.亮白光在8ma（图3.10）的图谱，经分析第一个峰宽63.6nm,在=452时最高峰峰高84.2；第二个峰宽231.5nm,在=564.8时最高峰峰高91。图3.10 亮白光光谱figure 3.10 the bright whitelight spectrum 9.暖白光在8ma（图3.11）的图谱，经分析第一个峰宽62.1nm,在=451.3时最高峰峰高67.9；第二个峰宽255.7nm,在=566.3时最高峰峰高100.4。图3.11 暖白光光谱figure 3.11 the warm whitelight spectrum 10白a光8ma（图3.12）的图谱，经分析第一个峰宽68.1nm,在=446.7时最高峰峰高100.7；第二个峰宽158.9nm,在=530.7时最高峰峰高11.1。图3.12 白a光光谱figure 3.12 the white a light spectrum 上面的光谱表明，图3.3所示的光谱，质量较差，但是是目前廉价和使用较多的，为改善其光谱构成，可以使用滤光的方法。图3.10和图3.11所示的光谱，光谱亦不完整，可以使用绿色led和红色led对其光谱进行补偿。3.3使用滤光片后的led光谱对某白光led照明光源，使用了滤光片进行了滤光，其滤光前后的光谱见（图3.13）。结果显示其有较好的光谱改善效果。图3.13 滤光后的led光谱（实线）figure 3.13 led specture after filter (the soild line) 3.4一个扩展应用由于改装的仪器的光源可调，使用普通光度计无法测定的混浊或高浓度试样，则可以使用改装的仪器进行测定。下面是某高混浊样品（超过牛奶的浊度）的测试结果。试样的测量数据 ：表3.1六组试样所测结果sheet 3.1 six sets of hair samples measured results样号123456176.80.918.268.020.293.7276.80.918.468.120.594.1377.20.918.667.820.893.9平均值76.90.918.468.020.593.9标准差0.1900.160.130.240.16=587.5，i=20ma从上述数据可知，使用led作为测量光源，其稳定性满意。结 论本文主要完成了下述工作：（1）改装了722型分光光度计，校正了它的光谱显示数据，用于测量led各单色光的光谱；（2）用改装后的722型分光光度计来测量led各单色光的光谱，并对所得数据进行了分析：劣质的白光led，其蓝光所占比例较大，其辐射对人眼的可能产生一定的危害；（3）天然色素滤光片，可以改善led的光谱构成。参考文献1 梁春广.国内外led灯研发动态j.广东科技,2010,11(48):78-82.2 任霞.led灯与节能j.四川省内江水利