Laboratorium fotofizyki

Ćwiczenie 52

Charakterystyka widmowa diod elektroluminescencyjnych (LED)

data wykonania ćwiczenia: 3 I 2012

Wstęp teoretyczny

Fotometria jest to dział optyki, który zajmuje się ilościowym opisem światła jako procesu przenoszenia energii. Wielkości fizyczne wprowadzane w tym celu, tzn. stanowiące język fotometrii, nazywa się wielkościami fotometrycznymi. Fotometria zajmuje się także metodą pomiarów wielkości fotometrycznych. Rozróżnia się fotometrię:

• energetyczną (obiektywną)

• fotometrię wizualną (świetlną, porównawczą).

Do opisu energii i mocy promieniowania elektromagnetycznego używa się jednostek ogólnie przyjętych w fizyce. Wzrok człowieka reaguje na fale elektromagnetyczne w zakresie 380 nm - 760 nm. Dla tego zakresu - widzialnego - wprowadzono nowe jednostki opisujące światłość (inaczej natężenie źródła światła), strumień świetlny i oświetlenie.

Względna czułość oka ludzkiego jest różna przy równych długościach światła (np. źródło światła pomarańczowego o l = 610 nm musi mieć moc dwa razy większą, aby wywołać efekt wizualny taki sam, jak źródło światła zielonego o l = 555 nm).

Strumień świetlny jest to moc energii promienistej oceniana na podstawie wywołanego przez nią wrażenia świetlnego. Strumień świetlny wysyłany w kąt bryłowy jest dany wzorem:

 = I ,

gdzie I jest natężeniem izotropowego źródła punktowego.

Jednostką strumienia świetlnego jest lumen (lm), zdefiniowany jako strumień promieniowany przez izotropowe źródło punktowe o natężeniu 1 kandeli do kąta bryłowego równego 1 steradianowi: 1 lm = 1 cd • 1 sr

Całkowity strumienia świetlny promieniowany przez izotropowe źródło światła wynosi :

 = I 4π.

Iloczyn strumienia świetlnego przez czas jego trwania nazywa się ilością światła.

1 lm monochromatycznego strumienia świetlnego o długości fali 555 nm odpowiada strumieniowi promieniowania o mocy 1,47 mW. Dla innych długości fali moc promieniowania odpowiadająca 1 lm wyznacza się na podstawie krzywej względnej czułości oka V (λ)

 = V (λ)  e

Oświetlenie definiuje się jako strumień świetlny przypadający na jednostkę powierzchni:

E º = ddA

Jeśli strumień świetlny pada prostopadle i równomiernie na oświetloną powierzchnię, to:

E =

Oświetlenie jest ilością energii świetlnej padającej na jednostkę powierzchni w ciągu jednostki czasu.

Jednostka oświetlenia jest luks (lx), zdefiniowany jako oświetlenie takiej prostopadłej do promieni świetlnych powierzchni, na której jeden metr kwadratowy pada strumień świetlny równy jednemu lumenowi.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było poznanie charakterystyk widmowych diod elektroluminescencyjnych o różnych barwach, zbadanie rozkładu kątowego światłości diody białej oraz porównanie doznań oka ludzkiego z rzeczywistym widmem emisyjnym odpowiednich diod.

Wykonanie ćwiczenia

Pomiary służące do wyznaczenia charakterystyk widmowych diod elektroluminescencyjnych wykonane zostały przy użyciu spektrofluorymetru Fluorolog 11 (Jobin-Yvon) wyposażonego w specjalnie skonstruowaną przystawkę zawierającą zestaw diod, w tym z diody białej, 7 diod barwnych bez filtrów optycznych: różowej, fioletowej, niebieskiej, zielonej, żółtej, pomarańczowej i czerwonej oraz 5 diod barwnych z filtrami optycznymi: niebieskiej, zielonej, żółtej, pomarańczowej i czerwonej. Włączanie poszczególnych diod odbywało się za pomocą układu zasilająco-sterującego, przedstawionego na rysunku 1. Za pomocą tego samego układu przeprowadzono ocenę efektu wizualnego wywołanego przez diody emitujące światło o tym samym natężeniu promieniowania.

Rysunek 1. Widok układu zasilająco-sterującego: a) z góry; b) z przodu.

Wykonano również charakterystykę kątową widma diody białej również przy użyciu spektrofluorymetru Fluorolog 11 wyposażonego w specjalnie skonstruowaną przystawkę zawierającą diodę białą, która jest ruchoma i może się obracać wokół nieruchomej tarczy kołowej zawierającej podziałkę określającą zmianę kąta obrotu. Odległość między dwiema dłuższymi działkami oznaczała zmianę kąta o 10°, między którymi, pośrodku znajdowała się krótsza działka. Odległość między działką dłuższą i krótszą odpowiadała zmianie kąta o 5°.

Wyznaczenie charakterystyk widmowych diod elektroluminescencyjnych

Włączono spektrofluorymetr i uruchomiono program sterujący aparaturą pomiarową. W spektrofluorymetrze umieszczono przesłonę szczeliny wejściowej oraz matówkę wyposażoną w „celownik” umożliwiającą właściwe pozycjonowanie diod oraz zamontowano w komorze pomiarowej specjalnie skonstruowaną przystawkę zawierającą zestaw diod w taki sposób, aby blokada pozycji znajdowała się po prawej stronie i połączono ją z gniazdem przejściowym znajdującym się na ścianie komory spektrofluorymetru, do którego podłączono układ zasilająco-sterujący. Włączono układ sterująco-kontrolny do sieci i przystąpiono do wykonania charakterystyk widmowych diod. Przełącznik P1 na układzie sterująco-kontrolnym ustawiono w pozycji „w lewo”, a przełącznik P2 ustawiono w pozycji „w lewo”, natomiast przełącznik P3 ustawiono w pozycji D6, a następnie odciągnięto blokadę pozycji na przystawce z zestawem diod i obrócono go za pomocą górnego uchwytu w taki sposób, aby światło z włączonej diody padało centralnie na matówkę i przykryto komorę pomiarową spektrofluorymetru. Do programu sterującego spektrofluorymetrem wprowadzono wskazane przez prowadzącego parametry pomiaru i wykonano charakterystykę widmową dla diody białej. W sposób analogiczny przeprowadzono pomiary dla pozostałych diod LED bez filtrów optycznych. Po zakończeniu pomiarów przełączono przełącznik P2 w pozycję „w prawo” i postępując analogicznie jak dla diod LED bez filtrów optycznych wykonano charakterystyki widmowe dla diod z filtrami optycznymi.

Po zarejestrowaniu charakterystyk widmowych dla wszystkich diod przełączono przełącznik P1 w pozycję „w prawo” i usunięto z komory pomiarowej wszystkie niepotrzebne w kolejnej części ćwiczenia montowane elementy.

Parametry wprowadzone do programu sterującego spektrofluorymetrem:

- scan start: 360 nm

- scan end: 750 nm

- increment: 0,5

- integration time: 0,1

- excitation: 340

- signal: S

- i. excitation: 2 nm

- i. emission: 1 nm

Wyznaczenie rozkładu kątowego widma diody białej

Przy włączonym spektrofluorymetrze i uruchomionym programie sterującym aparaturą pomiarową, w komorze pomiarowej zamontowano specjalnie skonstruowaną przystawkę zawierającą ruchomą diodę białą i nieruchomą tarczę kołową i połączono ją z gniazdem przejściowym znajdującym się na ścianie komory spektrofluorymetru. Następnie przy tych samych parametrach jakie wprowadzono przy wykonywaniu charakterystyk widmowych diod elektroluminescencyjnych wykonano serię pomiarów i zarejestrowano charakterystyki kątowe diody białej w zakresie ustawienia diody względem matówki od -90° do 90°, zmieniając kąt przed każdym pomiarem o 10°. Po zakończeniu pomiarów przełączono przełącznik P1 w pozycję „w prawo” i usunięto z komory pomiarowej wszystkie niepotrzebne montowane elementy. Wyłączono spektrofluorymetr i komputer nim sterujący.

Ocena efektu wizualnego wywołanego przez diody emitujące światło o tym samym natężeniu promieniowania

Na przedniej płycie urządzenia kontrolno-sterującego przełącznik P4 ustawiono w skrajnej prawej pozycji i przyjrzano się uważnie wszystkim zapalonym diodom, oceniając wstępnie ich barwę i jasność. Następnie przełącznik P4 przekręcono o jedną pozycję w lewo, po czym zapaliły się trzy diody w dolnym rzędzie i oceniono ich barwę i jasność oraz emisję światła dla różnych kątów obserwacji, patrząc na diody pod różnymi kątami. Postępując analogicznie jak dla ostatniego rzędu diod przeprowadzono obserwacje dla kolejnych zestawów diod wybierając je przełącznikiem P4. Po zakończeniu obserwacji wyłączono urządzenie kontrolno-pomiarowe z sieci.

Obserwacje

Konrad:

I rząd diod (od lewej do prawej): pomarańczowa z filtrem - świeciła najsłabiej, pomarańczowa bez filtra, czerwona z filtrem, czerwona bez filtra

Z góry widać, że wszystkie diody są zapalone, ale gdy patrzy się z boku, obserwuje się słabe świecenie diody pomarańczowej z filtrem i czerwonej bez filtra oraz pomarańczowej bez filtra. Z góry dioda czerwona zarówno z filtrem jak i bez filtra świeciły podobnie intensywnie i były najjaśniejsze z tej grupy. Z boku diody bez filtra świeciły słabiej niż diody z filtrem.

II rząd diod: zielona z filtrem świecąca na żółtozielono, zielona bez filtra, żółta z filtrem, żółta bez filtra

Z góry najintensywniej świeciła dioda zielona bez filtra, a najsłabiej dioda żółta z filtrem. Trudno było określić kolor, na jaki świeciła dioda zielona z filtrem. Z boku diody z filtrem świeciły słabiej, niż jak patrzyło się na nie z góry. W tym przypadku również z boku diody bez filtrów świeciły słabiej niż diody z filtrami.

III rząd diod: niebieska bez filtra, niebieska z filtrem, biała bez filtra.

Z góry najjaśniej świeciła dioda biała bez filtra, natomiast z boku najjaśniejsza była dioda niebieska z filtrem. Z góry obie diody niebieskie świeciły z porównywalną intensywnością, a z boku ta z filtrem. Dioda biała z boku wyglądała, jakby wcale nie świeciła.

Ogólnie można wysnuć wniosek, że diody z filtrem świecą z boku jaśniej niż diody bez filtra, które w niektórych przypadkach wyglądają, jakby się wcale nie świeciły. Zatem w diodach bez filtra wiązka emitowanego światła jest spójna i prostopadła do powierzchni źródła, natomiast w diodach z filtrem następuje rozproszenie wiązki świetlnej na tym filtrze.

Ze wszystkich badanych diod z góry najintensywniej świeciły obie diody niebieskie i porównywalnie diody czerwone. Jedyną z różnic między tymi diodami pod względem użycia filtra lub nie jest to, że światło z diod bez filtra było bardziej skupione, a w diodach z filtrem światło było rozproszone, przez co wydawało się bardziej „matowe”.

Ola:

1. brudnopomarańczowa matowa, żółtozielona, czerwona matowa, pomarańczowoczerwona

2. jasnozielona matowa, ciemnozielona, brudnożółta matowa, żółta

3. ciemnoniebieska, niebieska, biała

Widziane z boku (licząc od lewej):

1. najsłabiej pierwsza, najjaśniej trzecia

2. najjaśniej pierwsza, najsłabiej trzecia

3. najjaśniej druga, najsłabiej trzecia

Widziane z góry (licząc od lewej):

1. najjaśniej druga

2. najjaśniej druga

3. najjaśniej pierwsza

Generalnie diody widziane z góry świeciły jaśniej, co było najbardziej widoczne w przypadku diod bez filtra.

Karolina:

Rząd pierwszy:

1. czerwono - pomarańczowa

2. różowo - czerwona

3. żółta

4. ciemno pomarańczowa

W momencie, kiedy patrzyło się na diody pod kątem prostym, to świeciły one mocniej. Kolory były bardziej intensywne i wyostrzone niż w przypadku, kiedy obserwację zastosowano pod kątem różnym od prostego.

Rząd drugi:

5. żółto - pomarańczowa

6. ciemnożółta

7. zielona

8. jasnożółta

Diody 5, 6 i 7 posiadały barwę oraz światło bardziej intensywne od 8.

Rząd trzeci:

9. biała

10. jasnoniebieska

11. niebieska

Dioda 9 i 10 świeciły bardziej intensywnie w stosunku do diody 11.

Opracowanie wyników

Wyznaczenie charakterystyk widmowych diod elektroluminescencyjnych

Na podstawie zebranych danych sporządzono widma emisyjne badanych diod i przedstawiono poniższych rysunkach.

Wyznaczenie rozkładu kątowego widma diody białej

Dla każdego kąta świecenia obliczono pole pod krzywą, stosując całkowanie numeryczne metodą trapezów. Otrzymane wyniki naniesiono na wykres biegunowy, otrzymując rozkład kątowy widma diody białej.

Wnioski

Na podstawie sporządzonych widm emisyjnych badanych diod stwierdzono, że diody z filtrem wykazują mniejszą intensywność emisji niż diody bez filtrów, czego można było się spodziewać. Najbardziej jest to widoczne w przypadku diod pomarańczowych i czerwonych. Dodatkowo w przypadku diod czerwonych i zielonych pasmo emisyjne po zastosowaniu filtra jest przesunięte w kierunku dłuższych fal. Zaobserwowano również, że dla większości przebadanych diod, tzn. dla tych, których pasmo emisyjne nie jest przesunięte, fragment widma, dla którego uzyskano najsilniejszą emisję dla diody o danej barwie, jest również najlepiej przepuszczalny przez zastosowany filtr.

Na podstawie widma emisyjnego zauważono, że dioda różowa jest specyficzna, ponieważ jej barwa jest wynikiem połączenia dwóch bardzo „gładkich” pasm emisji z zakresu długości fal dla barw żółtej, pomarańczowej, czerwonej oraz bliskiego ultrafioletu.

Dioda fioletowa charakteryzuje się emisją światła z prawie całego badanego zakresu, jednakże z największą intensywnością wysyła ona promieniowanie o długościach fal z zakresu ultrafioletu, fioletu i barwy niebieskiej.

Zaobserwowano również, że diody bez filtra charakteryzują się znacznie mniejszym kątem świecenia niż diody z filtrem - widziane z góry świeciły jasno, zaś z boku bardzo słabo. Zastosowanie filtrów powoduje, że emitowane przez diody światło ulega większemu rozproszeniu, dzięki czemu zwiększa się kąt ich świecenia.

Na podstawie zamieszczonych wcześniej opisów obserwacji świecenia diod przez członków grupy laboratoryjnej, można powiedzieć, że w zależności od człowieka oko ludzkie cechuje się inną wrażliwością na barwę i intensywność świecenia diod.

Na podstawie sporządzonego wykresu opisującego rozkład kątowy widma diody białej można stwierdzić, że wiązka emitowanego światła jest stosunkowo silnie skupiona w zakresie odchylenia od prostej prostopadłej do powierzchni źródła światła diody od -10° do 10°. Przy większym odchyleniu położenia od tej prostej obserwuje się już niewielką emisję światła wywołaną falami rozproszonymi prawdopodobnie na skutek niedoskonałości elementów budowy samej diody.

8

Wykres 5. Rozkład kątowy widma białej diody LED

---