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1、光谱仪的发展及其在光谱仪的发展及其在 LED 照明测量中的应用照明测量中的应用周超1张维杨晰惟1苏跃华2李倩11.远方光电科学研究院，浙江杭州，3100532.杭州远方仪器有限公司，浙江杭州，310053摘要：光谱仪用于是照明光度色度参量的基础测试设备，随着仪器科学、电子技术以及软件信息技术的不断发展，光谱仪也不断发生着变革。同时在照明领域，光源也从最初的白炽灯发展到气体放电灯荧光灯、 HID， 到现在的固态照明 LED。LED 特殊的光电性能为照明带来了无限可能性， 同时也给检测评估带来了挑战，而正是光谱仪技术的发展又逐渐满足了 LED 照明的测量需求，光谱仪和电光源沿着不同的轨迹发展，但又
2、相互契合。本文首先介绍了主流光谱的原理和分类，光谱仪发展的历程，再结合 LED 照明的特点，重点分析了 LED 照明测量的新特性和对光谱仪发展趋势的影响， 提出了应用光谱仪测量 LED 参数的规律和方法。1. 光谱仪概述在照明领域中，光谱仪被用来测量光源的光谱功率分布，与相应的光采集器件如积分球、漫射器、光强取样装置、亮度取样装置等相结合（光谱仪与光采集器可能是分立的，也可以是整体化的） ，可得到光通量、照度、光强、亮度等光度参数，以及色品坐标、相关色温、显色性等色度参数。这些光度色度参量都是衡量照明和照明电器的重要指标。此外，将光谱功率与特定的功能效率函数相加权，可得到相应的参量，例如，光谱
3、辐照度与植物光合作用曲线相加权计算可得到光合作用有效辐射（PAR） ，光谱辐亮度与视网膜蓝光危害函数加权计算可获得蓝光危害加权辐射。光通量的计算如下：780380780380)()(683)(dVdev(1)式中，)(V是 CIE 推荐的平均人眼光谱光视效率，)(e是辐射通量。光合作用有效辐射（PAR）的计算如下：700400)(dEEP(2)式中，)(E是光谱福照度。蓝光危害加权辐射的计算如下： 700300)(dBLLB(3)式中，)(L是光谱福亮度，)(B是蓝光危害加权函数。2. 光谱仪的类型分析测量光源的光谱仪一般包括入射狭缝、准直系统、色散系统、成像系统和光电探测器等。如图 1 所示
4、，光束经入射狭缝进入光谱仪内部，经过准直系统成为平行光后，再由色散元件将复合光分解成光谱，最终经成像装置入射到光电探测器上实现光谱测量。图 1 光谱仪的一般组成色散元件的种类包含棱镜、光栅等，是光谱仪的关键部件。因为光栅比棱镜更容易获得较大的色散且色散较为均匀， 机械刻划或全息制备的高质量光栅已经达到非常高的水平，目前绝大多数光谱仪使用的都是衍射光栅。而根据光谱仪的采样元件的不同， 可将光谱仪分为基于单色仪的机械扫描式光谱仪和基于阵列探测器的快速光谱仪。2.1 基于单色仪的机械扫描式光谱仪图 2 单色仪的基本组成部件如图 2 所示， 单色仪一般包含入射狭缝， 准直镜、 光栅、 会聚镜和出射狭缝
5、，单色仪仅使某一单色光通过出射狭缝，在出射狭缝后设置单通道的光电探测器，测量该单色光的能量；通过一个机械扫描装置转动光栅，使得不同的光谱区间成像在出射狭缝处。这种基于单色仪的机械扫描式光谱仪一般测量精度较高，特别是在扫描过程中可以进行带通滤色片的切换，在杂散光控制方面具有优势，但是测量时间较长，不仅降低了测量相率，也大幅限制了其应用，特别是在 LED 照明测量中的应用，应用场所一般也局限在实验室里。此外，因为采用了机械扫描结构，总体稳定度不高，使用中需要频繁的对其定标。2.2 基于阵列探测器的快速光谱仪快速光谱仪使用多通道的阵列探测器，如 CCD、PDA 等，替代机械扫描式光谱仪中的出射狭缝和
6、单通道探测器， 一次性接收所测波长范围内的色散光信号，因此测量速度很快，可达到毫秒级。由于没有机械扫描结构，快速光谱仪的体积可以比较小，总体结构也比较稳定，因此无需频繁定标。快速光谱仪的测量精度主要取决于光栅、阵列探测器等核心器件的精密度以及它们的匹配度。然而，由于缺少了出射狭缝、带通滤色片等的限制，快速光谱仪的杂散光控制充满挑战。图 3 典型快速光谱仪器的组成3. 光谱仪的主要技术指标3.1 关于光谱仪的标准有关于光谱仪本身的性能标准和检验方法的标准并不多， 主要参考的标准有：CIE 63-1984 The Spectroradiometric Measurement of Light So
7、urcesJJG(浙) 85-2006光谱辐射分析仪检定规程IES LM-58-13 Approved method: Spectroradiometric measurement methods forlight sources （北美）JIS Z8724-1997 Methods of colour measurement - Light-source colour （日本）由于快速光谱仪是近 20 年才出现并发展起来的，因此，在 CIE 63-1984 只描述了机械扫描式光谱仪。在 2013 年修订的北美标准 LM-58 中，则重点增加了关于快速光谱仪的要求。针对快速光谱仪的性能表征和定
8、标方法，国际照明委员会（CIE）成立了技术委员会 TC2-51，远方光电也作为主要成员参与了其中的工作。无论是何种光谱仪，其主要评价指标包括：光谱分辨率，杂散光，动态范围、波长准确度和灵敏度等。3.2 光谱分辨率光谱分辨率是指区分两个非常靠近而又刚能分辨的谱线的能力， 常引用瑞利判据作为， 即第一条谱线的中心衍射极大值正好位于第二条谱线的第一阶极小值上，如图 4 所示。如果光谱仪的光谱分辨率较小，会造成测量谱线的展宽，峰值波长功率的下降，特别在测量单色光光源时会产生较大误差。根据标准规定，光谱分辨率可使用带宽（bandwidth）来表示，光谱仪的带通函数是入射狭缝的响应函数、像素的响应函数和光
9、学传递函数组合形成的，可通过测量不同波长的特征谱线或激光的半峰宽来获取光谱仪的带宽信息。要特别提醒，区分读数分辨率（采样间隔）和光谱分辨率，通常前者要小一些。图 4 光谱分辨率示意图3.3 杂散光杂散光的来源包括非测量光源的折散射光信号和测量光源信号中非测量波段的光信号。杂散光是影响测量精度的主要原因，如上所述，由于出射狭缝的限制， 单色仪杂散光要少一些，但现在快速光谱的杂散光经校正后也可以达到非常低的水平。杂散光可以分为近场杂散光和远场杂散光，在 TC2-51 中，远场杂散光的评价采用远方光电建议的带通色轮技术。杂散光是影响测量精度的主要原因之一，特别对于短波长（紫外到蓝光）部分的测量。这是
10、由于：1. 探测器在短波部分的响应度要远低于长波部分；2. 用于定标光谱仪的一般为色温为 2856K 的标准 A 光源，如图 5 所示，它在红光部分的光辐射强度是其蓝光部分的几十倍，也就是说。在定标过程中光谱仪就可能高估蓝光部分的光谱功率，因此在测量如图所示的 LED 光源时，杂散光带来的误差十分明显。图 5 定标光源与被测 LED 之间的光谱差异使得杂散光控制特别重要A-标准 A 光源； B-LED 光源双单色仪光谱仪包含了两个串联的单色仪，具有最好的杂散光控制能力，可达到 10-8。 而快速光谱仪由于控制杂散光的常规手段有限， 即便是高精度的快速光谱仪也仅能控制到 10-3 的水平，杂散光
11、控制充满挑战。为攻克该难题，在国家 863 计划的支持下，远方公司进行了深入研究，通过不断创新公共，最终通过带通色轮校正技术（BWCT） 、修正的 NIST 杂散光校正技术等，将杂散光控制能力提高了将近两个数量级，其核心技术获得美国专利授权及中国专利优秀奖。3.4 动态范围在动态范围内，光谱仪测量的响应信号应与进入系统的光是成比例的。动态范围很大程度上依赖于光谱仪所选择的光电探测器类型，比如科学级制冷 CCD的动态范围要比普通 CCD 大 2 个数量级以上。4. LED 的特点以及对光谱测量的需求4.1 LED 照明的特点LED 是一种极有竞争力的固体发光光源，具有寿命长、光效高等显著优点，在
12、照明工程领域中得到了广泛的应用，其品质控制也受到了前所未有的重视。与传统光源相比，LED 的发光机理和发光特性不同，因此，传统的光源表征和测量方法已不能简单地应用于 LED 光源， 为了正确的表征和评价 LED 光源对其测试方法和设备提出了更高的要求，总体来讲，LED 测量对光谱仪的测量速度、测量精度和量值多样性都提出了很高的要求。4.1.1 对光谱测量速度的要求LED 发光具有很强的温度依赖性，随着温度的升高，LED 光谱会展宽，红移，且发光效率降低，其温度依赖性很强。然而，在 LED 点亮的过程中，一部分电能不可避免地转化成热能，LED 的结温难以控制。为了保证测量结果的一致性，LED 封
13、装厂家或者标准中会要求提供 25或更高（50100）的结温条件下测得的光色参数。该参数的获得需要在 LED 点亮的瞬间实现快速测量，以忽略瞬态点亮产生的热量累计，也称为脉冲测量方法，该方法对于光谱仪测量速度提出了极高要求，传统的机械扫描式光谱仪完全不能满足。LED 产品容易存在空间光色分布不均匀的现象，需要使用光谱辐射计在空间各角度测量其颜色分布，机械扫描式光谱仪的采样速度是不被接受的。此外，对于脉冲调制的 LED 产品等，都需要在脉冲条件下快速测量光色性能。4.1.2 对光谱测量精度的要求LED 测量对精度也提出了更高的要求，如图 5 所示，白光 LED 的光谱功率分布与白炽灯相差较大，而彩
14、色 LED 的光谱差异则更为突出。要实现精确测量，需要光谱仪具有较高的光谱分辨率，低杂散光和高线性5。4.1.3 对光色品质的测试要求LED 的光色光谱十分丰富，这一特性即为光度色度学的基础理论研究带来了资源，也为 LED 在照明工程中的应用提供了可能性，但同时对 LED 色光品质的控制提出了更高的要求。例如，对于白光 LED 的显色性评价，传统的 CRI 系统出现了偏差，很多标准中增加使用 R9 这个指标；而国际上还有多个小组在研究系统性地改进目前的显色性评价指标。在很多照明应用中，明视觉和暗视觉的比值（S/P）也得到了广泛的应用，在新发布的北美标准中 IES TM-24-13，就以 S/P
15、 为基础提出了等效照度（EVE）的概念和要求。这些新的对光色品质的要求都需要以光源的光谱为依据， 通过加权计算而得到，因此对光谱仪的量值多样性也提出了要求。4.2 光谱仪在 LED 测量中的应用根据场合的不同，可将 LED 的测量可分为实验室测量、产线测量和现场测量三种。在实验室测量中，测量精度是关键，一般来讲，实验室中的光谱仪带宽应控制到至少 5nm 以下，杂散光在 10-3 以下，光谱线性应优于 1%，对于特定的测量，相应标准中还有更高的规定。同时，光谱仪的速度和与其它设备的兼容性也是需要考虑的重要方面，例如，与电源、功率计以及温控装置的配合指定结温下实现瞬态测量；与分布光度计配合实现空间
16、颜色分布测量等。图 6 典型的实验室光谱测量系统配置方案在产线测量中，速度是关键，但同时精度也是必须要考虑的方面。工业级精密快速光谱仪与积分球的组合，以及其它控制系统的配合，能较好地实现产品化控制。在现场测量中，测量读取的便携性是最重要的因素，几年来，手持式且带显示屏的光谱辐照度计、光谱辐亮度计已相继问世，并发展迅速，相对于传统的照度计、色度计、彩色亮度计等，它们不存在光谱失匹配误差，测量精度较高，而且基于光谱数据可以获得众多关键参数，如上文所述的显色性、S/P 值等。5. 光谱仪的发展趋势实用的光谱仪出现在上个世纪 70 年代中期，通过手动旋转光栅调节光谱测量的范围。随着电子技术的发展，特别是 CCD/CMOS 的发展和普及，上世纪 90年代出现了微机控制的自动光谱仪，以及实用的阵列探测器的快速光谱仪，提升了光谱仪的测量精度和速度，这也一直是光谱仪的主要发展方向。5.1 机械扫描式光谱仪的发展趋势及应用单色仪的发展趋势是向更高精度发展，以满足高端实验室需求。双单色仪是把两个单色仪串联起来，第一个仪器的出射狭缝
