微型光纖光譜儀色度測量性能評測

2019/08/07

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(xiàn)性校正功能，研究了積分時(shí)間及平滑參數對色品坐標的影響，同時(shí)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(shí)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(cháng)壽命，節能環(huán)保等優(yōu)勢，目前正逐漸替代一些傳統的光源產(chǎn)品，迅速成為市場(chǎng)新寵，業(yè)內人士也對LED的未來(lái)市場(chǎng)相當看好[1]。面對巨大的國內市場(chǎng)，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(huì )（CIE）制定的CIE127-1997技術(shù)文件[2]，通過(guò)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(cháng)，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(lái)微型光纖光譜儀作為一種具有高靈敏度，高性?xún)r(jià)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(guò)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(shí)現LED在線(xiàn)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(cháng)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(shí)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(gè)波長(cháng)的輻射功率分布或稱(chēng)光譜能量分布。首先通過(guò)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(gè)波長(cháng)的輻射功率分布。然后，根據CIE1931標準色度觀(guān)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(shí)驗測量:

光纖光譜儀在出廠(chǎng)時(shí)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(cháng)與像素之間的變化，所以在實(shí)驗測量前需要對每臺光譜儀進(jìn)行波長(cháng)標定。本次實(shí)驗中用到的海洋光學(xué)USB2000+系列光譜儀均經(jīng)過(guò)標準汞-氬燈波長(cháng)標定，采用三次多項式擬合[6]，達到小數點(diǎn)后6個(gè)9以上，波長(cháng)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(kāi)足夠的時(shí)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(zhì)量合格產(chǎn)品。

圖1 LED色度測量系統

圖1所示，為L(cháng)ED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(jìn)行絕對輻射校準，校準方法如文獻所述[7]。測試LED時(shí)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(guò)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(guò)程中非線(xiàn)性校正和暗噪聲去除功能全部勾選。

結果分析:

表1所示為改變積分時(shí)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(shí)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(xiàn)性校正功能發(fā)揮作用，以在USB2000+最佳線(xiàn)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?xún)取?/span>

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

表2 平滑參數分別為0，1，3，5時(shí)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為0，1，3，5，固定積分時(shí)間為某一定值，且對各色LED的測量均在其最佳線(xiàn)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(dòng)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果，可以看到對于單色LED光源，綠光色品坐標的測量值浮動(dòng)最大，其中測得綠光的y坐標浮動(dòng)值可達0.14%，遠大于紅光的y浮動(dòng)值0.04%，和藍光的y浮動(dòng)值0.06%。這與文獻中報道的光譜功率分布和波長(cháng)不確定度的主要影響分量集中在500-580nm相符。也與波長(cháng)定標中，500-600nm波段可選擇的標準譜線(xiàn)較少有關(guān)。

結論:

非線(xiàn)性校正后，平滑參數改變和積分時(shí)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(shí)，測得四色LED的色坐標最大浮動(dòng)值均小于0.03%，積分時(shí)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(dòng)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(mǎn)足高精度測量要求。