微型光纖光譜儀色度測量性能評測

摘要:

為評估USB2000+系列微型光譜儀顏色測量的一致性，利用spectrosuite軟件的非線性校正功能，研究了積分時間及平滑參數對色品坐標的影響，同時采取隨機抽檢的方式，考察了USB2000+系列的5臺微型光纖光譜儀測量四色LED光源的色品坐標差異。結果表明，由于改變積分時間和平滑參數的影響造成的色坐標差異均小于0.03%;抽檢的5臺光譜儀對同一光源的色坐標改變不高于0.15%。

引言

LED照明具有長壽命，節能環保等優勢，目前正逐漸替代一些傳統的光源產品，迅速成為市場新寵，業內人士也對LED的未來市場相當看好[1]。面對巨大的國內市場，對LED特性和品質的評測顯得日臻重要。LED的光強輻射測試參照國際照明委員會(CIE)制定的CIE127-1997技術文件[2]，通過測量光源的光譜輻射分布獲得包括光通量，色溫，顯色指數以及主波長，色純度等在內的大量參數。其中光源的色品坐標是非常重要的參數，基于色坐標可以確定色容差、色溫，顯色指數等，從而反映待測光源的基本顏色參數。主要使用分光測色系統獲取光源的光譜能量分布，根據CIE的顏色計算規定求出三刺激值，得到色品坐標值。近年來微型光纖光譜儀作為一種具有高靈敏度，高性價比的分光測色儀器尤為受到青睞，將微型光纖光譜儀與積分球等采光設備搭配，通過光纖傳輸被測信號至光譜儀，由光柵分光(顏色測試一般為380-780nm)，最終由CCD轉換成信號顯示，可實現LED在線光度測量[3]。然而對微型光譜儀顏色測量一致性的研究比較少，對光譜儀的誤差分析及測試不確定度的研究表明，測試系統的不確定度受光譜儀自身噪聲，雜散光，波長校正，以及光源穩定性的影響 [4]，本文基于對USB2000+系列微型光譜儀色度測量的分析，考察了其實際測量性能。

LED色度測量原理

LED的光譜特性表現為光輻射范圍內各個波長的輻射功率分布或稱光譜能量分布。首先通過絕對輻射校準，將待測光源的光譜功率分布與標準光源相比，得到待測光源的相對光譜功率分布P(λ)， 即380-780nm范圍各個波長的輻射功率分布。然后，根據CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激函數[5]，及求出色品坐標中光源的三刺激值 X，Y，Z：

為CIE顏色三刺激函數，k為歸一化系數。

光源在CIE 1931色品圖上的色坐標為：x=X/(X+Y+Z)，y=Y/(X+Y+Z)，z = Z/(X+Y+Z)。

實驗測量:

光纖光譜儀在出廠時都已精確標定，但由于電路漂移和其他環境因素可能導致光波波長與像素之間的變化，所以在實驗測量前需要對每臺光譜儀進行波長標定。本次實驗中用到的海洋光學USB2000+系列光譜儀均經過標準汞-氬燈波長標定，采用三次多項式擬合[6]，達到小數點后6個9以上，波長不確定度在 0.3nm左右。測試前，光譜儀預熱30分鐘，被測LED光源打開足夠的時間(15分鐘以上)直到光度穩定和溫度平衡，測試中使用的藍，綠，紅，白光 LED燈各一支，均為質量合格產品。

圖1（略）所示，為LED色度測量系統。測試儀器包括微型光纖光譜儀USB2000+，積分球，待測光源，光纖，待測LED燈及其供電插座。測試前使用標準鹵鎢燈光源LS-cal對測試系統進行絕對輻射校準，校準方法如文獻所述[7]。測試LED時由PS電源控制LED的工作電流恒定，將待測LED放入積分球，被測光信號通過積分球內表面的多次反射，由光纖引入光譜分光系統最終由CCD探測器接受轉化為數字信號)。測試過程中非線性校正和暗噪聲去除功能全部勾選。

結果分析:

表1（略）所示為改變積分時間于不同取值區間對色品坐標的測量結果。對單臺光譜儀固定平滑參數為0，平均次數為100，改變積分時間使之在不同counts值區間。結果可由表得，由于軟件附帶的非線性校正功能發揮作用，以在USB2000+最佳線性區間50000-60000counts內得到的色坐標值為基準，其他區間內獲得的色度結果與基準值的最大偏差均在0.03%以內。

表1 對同一臺光譜儀改變積分時間，使其Counts值分別在20000，30000，40000，50000counts測得白色LED的色品坐標 

表2（略）所示為對單臺光譜儀固定改變平滑參數為0，1，3，5，固定積分時間為某一定值，且對各色LED的測量均在其最佳線性區間內，平均次數100，測得四色LED光源的色品坐標值，由于平滑參數改變造成的數值上下浮動值不高于0.03%。

表3（略）為抽取的5臺光譜儀測量同一有色光源得到的結果，可以看到對于單色LED光源，綠光色品坐標的測量值浮動最大，其中測得綠光的y坐標浮動值可達 0.14%，遠大于紅光的y浮動值0.04%，和藍光的y浮動值0.06%。這與文獻中報道的光譜功率分布和波長不確定度的主要影響分量集中在 500-580nm相符。也與波長定標中，500-600nm波段可選擇的標準譜線較少有關。

結論:

非線性校正后，平滑參數改變和積分時間改變對色坐標的影響極小，以平滑參數為0作基準，改變平滑參數為1，3，5時，測得四色LED的色坐標最大浮動值均小于0.03%，積分時間改變counts值所在區間造成色坐標的最大改變值為0.03%，同系列光譜儀對同一有色LED光源的色坐標測量結果表明，綠光 LED的測量色坐標y值浮動最大，為0.14%，四色的x值最大改變小于0.05%，測試表明USB2000+顏色測量的一致性滿足高精度測量要求。