摘要:
為評(píng)估USB2000+系列微型光譜儀顏色測(cè)量的一致性，利用spectrosuite軟件的非線性校正功能，研究了積分時(shí)間及平滑參數(shù)對(duì)色品坐標(biāo)的影響，同時(shí)采取隨機(jī)抽檢的方式，考察了USB2000+系列的5臺(tái)微型光纖光譜儀測(cè)量四色LED光源的色品坐標(biāo)差異。結(jié)果表明，由于改變積分時(shí)間和平滑參數(shù)的影響造成的色坐標(biāo)差異均小于0.03%；抽檢的5臺(tái)光譜儀對(duì)同一光源的色坐標(biāo)改變不高于0.15%。
引言
LED照明具有長(zhǎng)壽命，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，目前正逐漸替代一些傳統(tǒng)的光源產(chǎn)品，迅速成為市場(chǎng)新寵，業(yè)內(nèi)人士也對(duì)LED的未來市場(chǎng)相當(dāng)看好[1]。面對(duì)巨大的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，對(duì)LED特性和品質(zhì)的評(píng)測(cè)顯得日臻重要。LED的光強(qiáng)輻射測(cè)試參照國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）制定的CIE127-1997技術(shù)文件[2]，通過測(cè)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(zhǎng)，色純度等在內(nèi)的大量參數(shù)。其中光源的色品坐標(biāo)是非常重要的參數(shù)，基于色坐標(biāo)可以確定色容差、色溫，顯色指數(shù)等，從而反映待測(cè)光源的基本顏色參數(shù)。主要使用分光測(cè)色系統(tǒng)獲取光源的光譜能量分布，根據(jù)CIE的顏色計(jì)算規(guī)定求出三刺激值，得到色品坐標(biāo)值。近年來微型光纖光譜儀作為一種具有高靈敏度，高性價(jià)比的分光測(cè)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(cè)信號(hào)至光譜儀，由光柵分光（顏色測(cè)試一般為380-780nm），最終由CCD轉(zhuǎn)換成信號(hào)顯示，可實(shí)現(xiàn)LED在線光度測(cè)量[3]。然而對(duì)微型光譜儀顏色測(cè)量一致性的研究比較少，對(duì)光譜儀的誤差分析及測(cè)試不確定度的研究表明，測(cè)試系統(tǒng)的不確定度受光譜儀自身噪聲，雜散光，波長(zhǎng)校正，以及光源穩(wěn)定性的影響[4]，本文基于對(duì)USB2000+系列微型光譜儀色度測(cè)量的分析，考察了其實(shí)際測(cè)量性能。
LED色度測(cè)量原理
LED的光譜特性表現(xiàn)為光輻射范圍內(nèi)各個(gè)波長(zhǎng)的輻射功率分布或稱光譜能量分布。首先通過絕對(duì)輻射校準(zhǔn)，將待測(cè)光源的光譜功率分布與標(biāo)準(zhǔn)光源相比，得到待測(cè)光源的相對(duì)光譜功率分布P(λ)， 即380-780nm范圍各個(gè)波長(zhǎng)的輻射功率分布。然后，根據(jù)CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激函數(shù)[5]，及求出色品坐標(biāo)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(biāo)為：x=X/(X+Y+Z)，y=Y/(X+Y+Z)，z = Z/(X+Y+Z)。
實(shí)驗(yàn)測(cè)量:
光纖光譜儀在出廠時(shí)都已精確標(biāo)定，但由于電路漂移和其他環(huán)境因素可能導(dǎo)致光波波長(zhǎng)與像素之間的變化，所以在實(shí)驗(yàn)測(cè)量前需要對(duì)每臺(tái)光譜儀進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定。本次實(shí)驗(yàn)中用到的海洋光學(xué)USB2000+系列光譜儀均經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)汞-氬燈波長(zhǎng)標(biāo)定，采用三次多項(xiàng)式擬合[6]，達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后6個(gè)9以上，波長(zhǎng)不確定度在0.3nm左右。測(cè)試前，光譜儀預(yù)熱30分鐘，被測(cè)LED光源打開足夠的時(shí)間（15分鐘以上）直到光度穩(wěn)定和溫度平衡，測(cè)試中使用的藍(lán)，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(cè)量系統(tǒng)
圖1所示，為L(zhǎng)ED色度測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)試儀器包括微型光纖光譜儀USB2000+，積分球，待測(cè)光源，光纖，待測(cè)LED燈及其供電插座。測(cè)試前使用標(biāo)準(zhǔn)鹵鎢燈光源LS-cal對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行絕對(duì)輻射校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法如文獻(xiàn)所述[7]。測(cè)試LED時(shí)由PS電源控制LED的工作電流恒定，將待測(cè)LED放入積分球，被測(cè)光信號(hào)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(cè)器接受轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)）。測(cè)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(shí)間于不同取值區(qū)間對(duì)色品坐標(biāo)的測(cè)量結(jié)果。對(duì)單臺(tái)光譜儀固定平滑參數(shù)為0，平均次數(shù)為100，改變積分時(shí)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(biāo)值為基準(zhǔn)，其他區(qū)間內(nèi)獲得的色度結(jié)果與基準(zhǔn)值的最大偏差均在0.03%以內(nèi)。
表1 對(duì)同一臺(tái)光譜儀改變積分時(shí)間，使其Counts值分別在20000，30000，40000，50000counts測(cè)得白色LED的色品坐標(biāo)
表2 平滑參數(shù)分別為0，1，3，5時(shí)同一臺(tái)光譜儀檢測(cè)同色光源色度的色品坐標(biāo)
表2所示為對(duì)單臺(tái)光譜儀固定改變平滑參數(shù)為0，1，3，5，固定積分時(shí)間為某一定值，且對(duì)各色LED的測(cè)量均在其最佳線性區(qū)間內(nèi)，平均次數(shù)100，測(cè)得四色LED光源的色品坐標(biāo)值，由于平滑參數(shù)改變?cè)斐傻臄?shù)值上下浮動(dòng)值不高于0.03%。
表3 五臺(tái)USB2000+系列光譜儀對(duì)同色光源（白色，藍(lán)色，綠色和紅色LED燈）色度檢測(cè)的色品坐標(biāo)
表3為抽取的5臺(tái)光譜儀測(cè)量同一有色光源得到的結(jié)果，可以看到對(duì)于單色LED光源，綠光色品坐標(biāo)的測(cè)量值浮動(dòng)最大，其中測(cè)得綠光的y坐標(biāo)浮動(dòng)值可達(dá)0.14%，遠(yuǎn)大于紅光的y浮動(dòng)值0.04%，和藍(lán)光的y浮動(dòng)值0.06%。這與文獻(xiàn)中報(bào)道的光譜功率分布和波長(zhǎng)不確定度的主要影響分量集中在500-580nm相符。也與波長(zhǎng)定標(biāo)中，500-600nm波段可選擇的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間改變對(duì)色坐標(biāo)的影響極小，以平滑參數(shù)為0作基準(zhǔn)，改變平滑參數(shù)為1，3，5時(shí)，測(cè)得四色LED的色坐標(biāo)最大浮動(dòng)值均小于0.03%，積分時(shí)間改變counts值所在區(qū)間造成色坐標(biāo)的最大改變值為0.03%，同系列光譜儀對(duì)同一有色LED光源的色坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果表明，綠光LED的測(cè)量色坐標(biāo)y值浮動(dòng)最大，為0.14%，四色的x值最大改變小于0.05%，測(cè)試表明USB2000+顏色測(cè)量的一致性滿足高精度測(cè)量要求。
