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(shù)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(jié)果表明，由于改變積分時間和平滑參數(shù)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(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，目前正逐漸替代一些傳統(tǒng)的光源產(chǎn)品，迅速成為市場新寵，業(yè)內(nèi)人士也對LED的未來市場相當看好[1]。面對巨大的國內(nèi)市場，對LED特性和品質(zhì)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(shù)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(shù)以及主波長，色純度等在內(nèi)的大量參數(shù)。其中光源的色品坐標是非常重要的參數(shù)，基于色坐標可以確定色容差、色溫，顯色指數(shù)等，從而反映待測光源的基本顏色參數(shù)。主要使用分光測色系統(tǒng)獲取光源的光譜能量分布，根據(jù)CIE的顏色計算規(guī)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(shè)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(zhuǎn)換成信號顯示，可實現(xiàn)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(tǒng)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(wěn)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(xiàn)為光輻射范圍內(nèi)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(jù)CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激函數(shù)[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(shù)，k為歸一化系數(shù)。
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(huán)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(jīng)過標準汞-氬燈波長標定，采用三次多項式擬合[6]，達到小數(shù)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(wěn)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(zhì)量合格產(chǎn)品。

圖1 LED色度測量系統(tǒng)

圖1所示，為LED色度測量系統(tǒng)。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(tǒng)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(nèi)表面的多次反射，由光纖引入光譜分光系統(tǒng)最終由CCD探測器接受轉(zhuǎn)化為數(shù)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(jié)果分析:

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

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 平滑參數(shù)分別為0，1，3，5時同一臺光譜儀檢測同色光源色度的色品坐標

表2所示為對單臺光譜儀固定改變平滑參數(shù)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(qū)間內(nèi)，平均次數(shù)100，測得四色LED光源的色品坐標值，由于平滑參數(shù)改變造成的數(shù)值上下浮動值不高于0.03%。

表3 五臺USB2000+系列光譜儀對同色光源（白色，藍色，綠色和紅色LED燈）色度檢測的色品坐標

表3為抽取的5臺光譜儀測量同一有色光源得到的結(jié)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(guān)。

結(jié)論:

非線性校正后，平滑參數(shù)改變和積分時間改變對色坐標的影響極小，以平滑參數(shù)為0作基準，改變平滑參數(shù)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(qū)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(jié)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。