利用峰值波长移位法非接触测量白光LED结温的装置

摘要

本发明公开一种利用峰值波长移位法、快速非接触测量白光LED结温装置，包括测量系统和定标系统，测量系统包括待测白光LED光源(1)、专测蓝光波长移位的光谱仪(2)和计算机(3)；光谱仪由球形反射镜(10)、入射狭缝(11)、平面光栅(12)、、出射狭缝(13)、CCD(14)及驱动电路(15)构成，其特征是波长测量范围为440nm～480nm，精确度优于0.02nm。定标系统包括温度控制器(4)、恒温箱(5)、定标LED(6)、LED灯支架(7)、脉冲恒流源(8)、光谱仪(2)和计算机(3)。通过对大功率白光LED的峰值波长-结温系数K进行标定，测量LED实际工作时峰值波长的移位量，由获得待测LED白光光源工作状态下的结温，所得结温精确度可达0.1℃。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光二极管(LED)的检测技术，尤其涉及一种LED 芯片内部结温测量仪器。

背景技术

高亮度LED的出现具有划时代意义，它将是人类继爱迪生发明白炽灯 泡之后最伟大的发明之一，被称为第四代照明光源或绿色光源，与传统光 源相比，它具有很多优点：光效高、无汞环保、寿命长、体积小等特点， 已经广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、城市夜景等特殊照明领 域。目前LED的发光率仅能达到10％-30％，同时有70％-90％的能量转换 成了热能。高性能白光LED光学性能和可靠性的提高，都依赖于芯片的结 温。因此如何监控结温，尤其是在线无损的结温监控，就成为可能制约白 光LED应用而又急待解决的问题。

LED的基本结构是一个半导体的P-N结。当电流流过LED元件时，P-N 结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度定义为LED的结温. 通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此不严格的地方有时也可把LED 芯片的温度视之为结温。白光LED的芯片尺寸小、电流密度大，所以引起 的温升比较明显。而且其发光光谱中不包括红外部分，所以器件产生的热 量不能依靠热辐射释放出去，输入电能的70-90％左右转变成为热量，这些 热量大部分都转化为使芯片本身温度升高的能量。对于半导体器件，温度 的变化，其特性会有明显的变化。特别是大功率LED，这种影响将更加明 显，芯片温度直接影响到LED的发光效率，主波长以及使用寿命。有资料 显示，大约70％的LED产品故障来自结温过高。并且在负载为额定功率一 半的情况下温度每升高20℃故障就上升一倍。因此如何快速准确地测量 LED的结温可以帮助我们更加合理地进行LED结构设计以及优化LED照 明工程散热设计。

目前，测量白光LED结温的方法主要有：1、正向电压法，利用LED 电输送温度效应，在恒定电流的条件下，得到正向电压与结温的线性关系； 2、管脚法，利用LED的发光光谱中蓝光和白光的功率比值来测量。这些 方法都属于接触式测量，局限在单管LED器件的结温测量。现在也有研究 者提出了一些非接触式结温测量方法：蓝白比法、红外摄像法和峰值波长 法。由于这些方法的使用范围有限，而且精度比较低。峰值波长法，利用 LED的发光光谱的峰值会随着结温的升高而增大。但由于结温升高引起的 峰值波长漂移并不大，当升高10℃时，峰值波长改变约1.4nm左右，这样 必会给测试结果带来不小的误差，若采用常规高精度的光谱仪，则会大大 增加测试成本。

因此，需要设计一种非接触式、高精度、低成本，且简单易操作的白光 LED结温测量仪。

发明内容

鉴于上述方法和技术的不足，本发明型的目的是利用峰值波长移位法设 计一种具有高精度、低成本、操作简便的大功率白光LED结温测量装置。

为了实现本发明型的目的，拟采用以下技术：

一种快速非接触测量白光LED结温测量装置，其特征在于：该系统由 定标和测量两部分组成，定标时，定标LED(6)安装在恒温箱(5)内，用一根 导光光纤(9)将定标LED(6)发出的光传导到专测蓝光波长移位的光谱分析 仪(2)。通过连接在光谱仪(2)上的计算机(3)得到该温度下的峰值波长，并通 过多组数据得到该定标LED的峰值波长-结温系数K、初始结温T_a以及初 始峰值波长λ_a。测量时，通过光谱仪(2)直接测量待测LED(1)在正常工作状 态下的峰值波长，结合公式快速计算出该工作状态下待测 LED的结温。

定标系统包括位于恒温箱(2)外侧的温度控制器(4)用来控制恒温箱(5)的 温度，从而改变定标LED(6)环境温度。定标LED(6)被固定在支架(7)上，并 与脉冲恒流源(8)相连接。定标LED(6)发出的光被伸进恒温箱(5)的导光光纤 (9)收集进入连接到计算机(3)的高精度光谱仪(2)。测量系统包括待测白光 LED光源(1)、和计算机(3)。专测蓝光波长移位的光谱仪(2)由球形反射镜 (10)、入射狭缝(11)、平面光栅(12)、出射狭缝(13)、CCD(14)以及驱动电路 (15)构成。

采用上述技术方案，其特点在于：

1、定标时，通过使断电状态的定标LED在恒温箱中放置30min来保证 该LED在通电瞬间的结温与环境温度相等，避免了用其他方法来测量实际 结温，减少了误差。

2、带有温度控制器的恒温箱用来提供定标LED的环境温度，误差不超 过1℃。并且可以改变定标LED的环境温度和结温，进行多组实验，提高 LED峰值波长-结温系数K的准确性。

3、脉冲恒流源可以为定标LED提供瞬时的工作电流，使其在短时间内 正常工作，使得在定标出LED在特定温度下的峰值波长，同时不引起结温 的变化。

4、LED支架可以方便固定定标LED，稳定其测量电路，减少由于装置 的振动给实验带来误差。

5、导光光纤一端伸入恒温箱，另一端与光谱仪相连接。将待测LED所 发出的光线更快、损耗尽可能小地传输到光谱仪中。

6、该专测蓝光波长移位的光谱仪波长测量范围为440nm～470nm，大于 白光LED在结温改变时所造成的峰值波长的移动范围。并且大大提高了光 谱测量时的精确值，精确度优于0.02nm。

7、该装置可对大功率白光LED的峰值波长-结温系数K、初始结温T_a以及初始波长λ_a进行定标，通过计算机储存。为白光LED的结温测量提供 数据。

8、测量时，只要在正常工作电流下测得该LED的发光光谱就能快速计 算出结温。测量光谱时可以直接在LED工作环境下测量，无需拆卸灯具， 无论是单个LED还是集成光源都可以方便快速测量，应用领域广泛。

9、专测蓝光波长移位的光谱仪通过对分光器的设计，使得待测LED发 出的光水平进入分光器中，经过反射镜的进入平面光栅。由光栅衍射出的 光线经过反射镜的反射，只有波长范围在440nm～470nm的光能水平穿过长 度为d的出射狭缝，照射到具有宽度为d的光敏面的CCD上，经过驱动电 路采样和光电转换，最终在计算机上得到高精度的光谱曲线。

附图说明

图1示出了本发明装置定标系统组成示意图

图2示出了本发明装置测量系统组成示意图

图3示出了本发明的专测蓝光波长移位光谱仪的结构示意图

图4示出了本发明中不同型号LED的峰值波长-结温系数统计表

具体实施方式

本发明是利用峰值波长移位法设计一种快速非接触测量白光LED结温 装置。该装置包括专测蓝光波长移位的光谱仪的设计、对常用白光LED的 峰值波长-结温系数K进行定标和对正常工作状态下的LED进行结温测量。

本发明的专测蓝光波长移位的光谱仪是通过确定平面光栅的参数以及 角度来控制衍射光线，使得经反射后的衍射光线只有波长在440nm～470nm 范围内才可以通过出射狭缝。本实施例选取像元素为2048的线阵CCD，该 CCD光敏面的高度和出射狭缝的宽度相等。将探测器所得的光信号转化为 电信号，并通过驱动电路的信号处理，最终在计算机上显示出所探测LED 的光谱。通过本装置测得的光谱，波长范围为440nm～470nm，精度为 0.015nm。

定标时，定标LED安装在LED支架上，通过温度控制器对恒温箱进行 控温，设置5组实验组10℃、30℃、50℃、70℃、90℃。

T₁＝10℃时，使定标LED在10℃的恒温箱中断电放置半小时，则可认为 此时该定标LED的结温为10℃。然后通过脉冲恒流源给定标LED一个与 工作电流相等、时间为5s的瞬时电流I，通过光谱仪的检测，在计算机上 可以获得定标LED在正常工作时的光谱曲线，从而得到在该定标LED结温 T_j1＝10℃时的峰值波长λ₁。

重复上述过程即可得到5组结温和相对应的峰值波长。T_j1～λ₁、T_j2～λ₂、 T_j3～λ₃、T_j4～λ₄、T_j5～λ₅。结合峰值波长法测量结温的公式两两 组合求出10个K值，再取平均值。即可获得该定标LED的峰值波长-结温 系数K、初始结温T_a以及初始峰值波长λ_a，记录数据。

将市面上常用型号的白光LED按照上述方法进行定标，将所得数据K、 T_a、λ_a整理成表格，即完成了定标。

测量时，不论是单个LED还是集成光源，在待测LED正常工作状态下， 测得其稳定发光时的发光光谱，通过计算机得到待测LED在该工作状态下 的峰值波长λ。查询峰值波长-结温系数统计表可得到该型号LED的峰值波 长-结温系数K、初始结温T_a以及初始波长λ_a，将数据代入公式 即可快速求出待测LED在该工作状态下的结温。

由于该装置的光谱仪专测蓝光波长移位，其光谱精度可达0.015nm，即 所计算的结温精度为0.1℃。符合设计要求。