微型光纤光谱仪色度测量性能评测

摘要:

为评估USB2000+系列微型光谱仪颜色测量的一致性，利用spectrosuite软件的非线性校正功能，研究了积分时间及平滑参数对色品坐标的影响，同时采取随机抽检的方式，考察了USB2000+系列的5台微型光纤光谱仪测量四色LED光源的色品坐标差异。结果表明，由于改变积分时间和平滑参数的影响造成的色坐标差异均小于0.03%;抽检的5台光谱仪对同一光源的色坐标改变不高于0.15%。

引言

LED照明具有长寿命，节能环保等优势，目前正逐渐替代一些传统的光源产品，迅速成为市场新宠，业内人士也对LED的未来市场相当看好[1]。面对巨大的国内市场，对LED特性和品质的评测显得日臻重要。LED的光强辐射测试参照国际照明委员会(CIE)制定的CIE127-1997技术文件[2]，通过测量光源的光谱辐射分布获得包括光通量，色温，显色指数以及主波长，色纯度等在内的大量参数。其中光源的色品坐标是非常重要的参数，基于色坐标可以确定色容差、色温，显色指数等，从而反映待测光源的基本颜色参数。主要使用分光测色系统获取光源的光谱能量分布，根据CIE的颜色计算规定求出三刺激值，得到色品坐标值。近年来微型光纤光谱仪作为一种具有高灵敏度，高性价比的分光测色仪器尤为受到青睐，将微型光纤光谱仪与积分球等采光设备搭配，通过光纤传输被测信号至光谱仪，由光栅分光(颜色测试一般为380-780nm)，最终由CCD转换成信号显示，可实现LED在线光度测量[3]。然而对微型光谱仪颜色测量一致性的研究比较少，对光谱仪的误差分析及测试不确定度的研究表明，测试系统的不确定度受光谱仪自身噪声，杂散光，波长校正，以及光源稳定性的影响 [4]，本文基于对USB2000+系列微型光谱仪色度测量的分析，考察了其实际测量性能。

LED色度测量原理

LED的光谱特性表现为光辐射范围内各个波长的辐射功率分布或称光谱能量分布。首先通过绝对辐射校准，将待测光源的光谱功率分布与标准光源相比，得到待测光源的相对光谱功率分布P(λ)， 即380-780nm范围各个波长的辐射功率分布。然后，根据CIE1931标准色度观察者光谱三刺激函数[5]，及求出色品坐标中光源的三刺激值 X，Y，Z：

为CIE颜色三刺激函数，k为归一化系数。

光源在CIE 1931色品图上的色坐标为：x=X/(X+Y+Z)，y=Y/(X+Y+Z)，z = Z/(X+Y+Z)。

实验测量:

光纤光谱仪在出厂时都已精确标定，但由于电路漂移和其他环境因素可能导致光波波长与像素之间的变化，所以在实验测量前需要对每台光谱仪进行波长标定。本次实验中用到的海洋光学USB2000+系列光谱仪均经过标准汞-氩灯波长标定，采用三次多项式拟合[6]，达到小数点后6个9以上，波长不确定度在 0.3nm左右。测试前，光谱仪预热30分钟，被测LED光源打开足够的时间(15分钟以上)直到光度稳定和温度平衡，测试中使用的蓝，绿，红，白光 LED灯各一支，均为质量合格产品。

图1（略）所示，为LED色度测量系统。测试仪器包括微型光纤光谱仪USB2000+，积分球，待测光源，光纤，待测LED灯及其供电插座。测试前使用标准卤钨灯光源LS-cal对测试系统进行绝对辐射校准，校准方法如文献所述[7]。测试LED时由PS电源控制LED的工作电流恒定，将待测LED放入积分球，被测光信号通过积分球内表面的多次反射，由光纤引入光谱分光系统最终由CCD探测器接受转化为数字信号)。测试过程中非线性校正和暗噪声去除功能全部勾选。

结果分析:

表1（略）所示为改变积分时间于不同取值区间对色品坐标的测量结果。对单台光谱仪固定平滑参数为0，平均次数为100，改变积分时间使之在不同counts值区间。结果可由表得，由于软件附带的非线性校正功能发挥作用，以在USB2000+最佳线性区间50000-60000counts内得到的色坐标值为基准，其他区间内获得的色度结果与基准值的最大偏差均在0.03%以内。

表1 对同一台光谱仪改变积分时间，使其Counts值分别在20000，30000，40000，50000counts测得白色LED的色品坐标 

表2（略）所示为对单台光谱仪固定改变平滑参数为0，1，3，5，固定积分时间为某一定值，且对各色LED的测量均在其最佳线性区间内，平均次数100，测得四色LED光源的色品坐标值，由于平滑参数改变造成的数值上下浮动值不高于0.03%。

表3（略）为抽取的5台光谱仪测量同一有色光源得到的结果，可以看到对于单色LED光源，绿光色品坐标的测量值浮动最大，其中测得绿光的y坐标浮动值可达 0.14%，远大于红光的y浮动值0.04%，和蓝光的y浮动值0.06%。这与文献中报道的光谱功率分布和波长不确定度的主要影响分量集中在 500-580nm相符。也与波长定标中，500-600nm波段可选择的标准谱线较少有关。

结论:

非线性校正后，平滑参数改变和积分时间改变对色坐标的影响极小，以平滑参数为0作基准，改变平滑参数为1，3，5时，测得四色LED的色坐标最大浮动值均小于0.03%，积分时间改变counts值所在区间造成色坐标的最大改变值为0.03%，同系列光谱仪对同一有色LED光源的色坐标测量结果表明，绿光 LED的测量色坐标y值浮动最大，为0.14%，四色的x值最大改变小于0.05%，测试表明USB2000+颜色测量的一致性满足高精度测量要求。