脈沖LED發(fā)光強(qiáng)度的時(shí)間特性—光譜特性測(cè)試裝置

一、前言
脈沖LED能在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)出很強(qiáng)的光，在景觀照明等方面具有廣泛的應(yīng)用。它的發(fā)光強(qiáng)度棗時(shí)間特性棗光譜特性是脈沖LED的重要特性指標(biāo)。本工作旨在為脈沖LED的生產(chǎn)廠家研制一套簡(jiǎn)單適用、性能價(jià)格比相對(duì)較高并且能同時(shí)測(cè)試脈沖LED發(fā)光強(qiáng)度的時(shí)間特性和光譜特性的測(cè)試系統(tǒng)，用于產(chǎn)品的研制和檢驗(yàn)。
關(guān)于照明光源的顏色的測(cè)量方法，已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，另外還建立了一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是涉及具體種類(lèi)如高壓鈉燈泡、熒光高壓汞燈泡和管形鏑燈等的光電參數(shù)測(cè)量方法的。本項(xiàng)目工作是在以上標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下進(jìn)行的。
整個(gè)裝置是由積分球、光源及其專用電源、時(shí)間特性測(cè)試系統(tǒng)、光譜特性測(cè)試系統(tǒng)和總控制系統(tǒng)構(gòu)成的。
待測(cè)光源是產(chǎn)自多個(gè)國(guó)內(nèi)廠家的白光LED、單色LED，我們自制了與之相配套的脈沖電源，采用數(shù)控調(diào)壓方式，使得工作電壓每0.1V連續(xù)可調(diào)，調(diào)整范圍為0.1-5V，觸發(fā)點(diǎn)燃電壓分檔可調(diào)，以便適應(yīng)不同規(guī)格的閃光管。在燈的點(diǎn)燃方式上，本系統(tǒng)采用了外界電路觸發(fā)和手動(dòng)觸發(fā)兩種方式，并使用光電隔離，將外觸發(fā)電路同光源電路隔離開(kāi)來(lái)，避免產(chǎn)生干擾，光譜儀產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，進(jìn)行同步，同時(shí)光譜儀完成脈沖光測(cè)量。
二、積分球
本裝置用積分球是由丹東市萬(wàn)冠測(cè)試設(shè)備廠按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制造的。積分球內(nèi)徑為20厘米，其整體被分塊焊接成兩個(gè)半球形，活動(dòng)的半球用鉸鏈邊接到固定的半球上，固定半球固定在支架底座上，并用來(lái)裝設(shè)燈、屏的支架(或吊線)和測(cè)量孔。
球體內(nèi)表面及附件(如屏等)表面均涂覆一層硫酸鋇白色涂料。涂覆過(guò)程中，將摻入少量聚乙烯醇的硫酸鋇水溶液，分?jǐn)?shù)次均勻地噴涂在積分球的內(nèi)表面上。
三、標(biāo)準(zhǔn)光源及其電源
標(biāo)準(zhǔn)光源由標(biāo)定好的鹵鎢絲燈泡及其配套電源構(gòu)成。用來(lái)標(biāo)定光譜儀系統(tǒng)。鹵鎢絲燈泡經(jīng)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)處標(biāo)定，并給出其色溫在2855.6K附近時(shí)的工作電壓(或電流)。與之配套電源采用穩(wěn)壓(或恒流)電路，提供燈泡穩(wěn)定的工作電壓(或電流)，電源穩(wěn)定度達(dá)到0.1％。在本系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)光源，采用了數(shù)控軟啟動(dòng)和軟關(guān)斷技術(shù)，使得燈泡在程序控制下，逐漸點(diǎn)燃達(dá)到工作電壓(或電流)，熄滅時(shí)，逐漸降低燈電壓(或電流)直至完全熄滅。
四、時(shí)間特性測(cè)試系統(tǒng)
光強(qiáng)棗時(shí)間特性測(cè)試系統(tǒng)主要用來(lái)測(cè)量LED的發(fā)光強(qiáng)度的時(shí)間特性曲線。這是脈沖光源及其相應(yīng)電源的一個(gè)重要參數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量LED經(jīng)由積分球后的光信號(hào)，此系統(tǒng)主要有以下幾部分組成：
光電探測(cè)器及其放大器：使用硅材料的PIN光電二極管，主要指標(biāo):感光部分面積0.5平方毫米，脈沖響應(yīng)時(shí)間小于1ns，主要用于超快光測(cè)量。放大器使用FET輸入的寬帶放大器，采用電流放大電路，放大光電二極管的光電流，使之達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡所需要的電壓。
濾光片:使用QB21色玻璃濾光片，將LED的紅外光部分濾掉，僅保留測(cè)量需要的可見(jiàn)光部分。
數(shù)據(jù)采集卡:將光電探測(cè)器測(cè)量到的電壓信號(hào)數(shù)字化保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)并顯示出來(lái)。本系統(tǒng)使用美國(guó)NI公司數(shù)據(jù)采集卡，最小數(shù)據(jù)采集間隔50ns，并具有觸發(fā)電壓可程序調(diào)整的特點(diǎn)。
軟件系統(tǒng):采用美國(guó)NI公司的LABVIEW完成脈沖光信號(hào)的采集和計(jì)算。
本軟件主要計(jì)算的參量為:光信號(hào)上升到最大光信號(hào)的約1/3至光信號(hào)下降到最大光信號(hào)的約1/3的時(shí)間間隔作為閃光時(shí)間，閃光時(shí)間特性曲線的積分值作為總光通量。
需要說(shuō)明的是:本測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是實(shí)現(xiàn)同時(shí)快速測(cè)試脈沖LED發(fā)光強(qiáng)度的時(shí)間特性和光譜特性兩個(gè)主要特性指標(biāo)。未了測(cè)試時(shí)便于切換，兩個(gè)特性的測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)一裝置在了一起。積分球是為了消除LED光譜特性的空間各向異性而用的，對(duì)LED時(shí)間特性的測(cè)量精度主要決定于光電探測(cè)器及其放大器及數(shù)據(jù)采集卡的時(shí)間響應(yīng)特性，而積分球?qū)Υ瞬](méi)有實(shí)質(zhì)性的影響。
五、光譜特性測(cè)試系統(tǒng)
照明光源的光色特性及其表征量如色坐標(biāo)、色溫和顯色指數(shù)等是由照明光源的光譜能量分布決定的。本工作中的測(cè)色是建立在光譜光度法基礎(chǔ)上的。具體設(shè)備包括：光纖、平像場(chǎng)光柵光譜儀、線陣CCD及其驅(qū)動(dòng)電路、電信號(hào)處理系統(tǒng)以及光譜軟件等。
1、測(cè)量光源的相對(duì)光譜能量分布
用積分球測(cè)量光譜能量分布時(shí)，需要與光譜能量標(biāo)準(zhǔn)光源作比較，標(biāo)準(zhǔn)光源的電源以穩(wěn)定電源供電。光源的光譜輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光源的光譜能量分布。光譜輻射強(qiáng)度的相對(duì)值與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光源的相對(duì)光譜能量分布。
測(cè)量光源的相對(duì)光譜能量分布采用與標(biāo)準(zhǔn)燈相比較的方法。標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻射強(qiáng)度是已知的，可以表示為Ss(λ)。先將標(biāo)準(zhǔn)光源放進(jìn)積分球，獲得光譜響應(yīng)曲線Rs(λ)。然后將待測(cè)光源換進(jìn)積分球，獲得光譜響應(yīng)曲線Rt(λ)。待測(cè)光源的相對(duì)光譜能量分布為:

式中:Ss(λ)為標(biāo)準(zhǔn)光源相對(duì)光譜功率分布，Rt(λ)為待測(cè)光源光電探測(cè)器讀數(shù)，Rs(λ)為標(biāo)準(zhǔn)光源光電探測(cè)器讀數(shù)。
為適應(yīng)LED的光譜分布測(cè)量，采用了時(shí)間積分多通道光電測(cè)量法。光譜儀設(shè)計(jì)為交叉C桾結(jié)構(gòu)，光纖將光信號(hào)耦合輸入光譜儀，線陣CCD光電接收器將光譜光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此系統(tǒng)也可以用于穩(wěn)恒光源的光譜特性測(cè)量。
2、光源色品坐標(biāo)的計(jì)算
本工作采用光譜光度測(cè)色法的測(cè)量結(jié)果計(jì)算光源的色品坐標(biāo)。因?yàn)槲覀冎磺笊纷鴺?biāo)，所以我們只需測(cè)量光標(biāo)的相對(duì)光譜能量(功率)分布，我們只需要計(jì)算出CIE1931XYZ色度系統(tǒng)中的色匹配函數(shù)或稱為等能量光譜的三刺激值X、Y、Z的相對(duì)值即可，最后求出CIE1931XYZ色度系統(tǒng)中的色品坐標(biāo)x，y或者CIE1960“UCS”均勻表色系統(tǒng)中的色坐標(biāo)u，v。
3、光源相關(guān)色溫TCP的計(jì)算
當(dāng)計(jì)算得到光源的u，v色坐標(biāo)值后，可利用CIE1960“UCS”圖(u，v色坐標(biāo)圖)上的黑體軌跡和等溫線，尋找黑體軌跡上距離待測(cè)光源色坐標(biāo)最近的點(diǎn)，以待測(cè)光源的u，v色坐標(biāo)點(diǎn)為圓心，以與之相交的等溫線為半徑作圓，必與黑體軌跡曲線相切于一點(diǎn)，即該等溫線與黑體軌跡曲線垂直相交的那一點(diǎn)，通過(guò)一定的計(jì)算程序計(jì)算出切點(diǎn)的坐標(biāo)，就得知了待測(cè)光源的相關(guān)色溫。
4、光源顯色指數(shù)的測(cè)量和計(jì)算
顯色性是光源的重要特性參數(shù)之一。評(píng)價(jià)光源的顯色性一般是以檢驗(yàn)色樣分別在參照光源和待測(cè)光源照明下總的色品位移為基礎(chǔ)定量評(píng)價(jià)光源的顯色性的。被照明物體的顏色感覺(jué)除與光源的光譜能量分布及物體的反射率有關(guān)外，還與人眼的適應(yīng)狀態(tài)有關(guān)，被稱為人眼的色適應(yīng)效應(yīng)(色覺(jué)恒常現(xiàn)象)。
為減少色適應(yīng)效應(yīng)的影響，在評(píng)價(jià)任意光源的顯色性時(shí)，選取與待測(cè)光源色溫接近甚至相等的參照光源(基準(zhǔn)光源)，參照光源并不用具體的光源，而用參照照明體。對(duì)色溫在5000K以下的光源，用黑體作為參照光源；對(duì)色溫在5000K以上的光源，則用CIE合成晝光作為參照光源。即使色溫相同，但參照光源與待側(cè)光源仍然存在一定的色度差(應(yīng)小于5.4×10-3)。
一旦確定參照光源的色溫，則可計(jì)算參照光源的光譜功率分布。
5、平均顯色指數(shù)Ra的計(jì)算
六、總控系統(tǒng)
儀器的總控制系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)擔(dān)當(dāng)。計(jì)算機(jī)使用光譜測(cè)量軟件通過(guò)串行口控制光譜儀采集光譜信號(hào)，并同時(shí)設(shè)定閃光觸發(fā)時(shí)間。同時(shí)計(jì)算機(jī)能過(guò)時(shí)間特性測(cè)量軟件設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡閃光信號(hào)觸發(fā)電平。由譜儀觸發(fā)LED電源，在閃光同時(shí)采集光譜信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡采集發(fā)光時(shí)間特性曲線，光譜特性和時(shí)間特性曲線兩個(gè)測(cè)量同時(shí)完成。隨后由相應(yīng)軟件計(jì)算給出所要測(cè)量的參數(shù)。在使用相應(yīng)的軟件設(shè)定完儀器測(cè)試參數(shù)后，測(cè)試期間不需要計(jì)算機(jī)的干預(yù)，所有測(cè)試均有各部分子系統(tǒng)協(xié)同完成。
七、儀器系統(tǒng)的性能和指標(biāo)
1、光強(qiáng)-時(shí)間特性系統(tǒng)
時(shí)間分辨率(采樣時(shí)間間隔):50ns
光強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍:46dB
光測(cè)量波段:可見(jiàn)光(400-700nm)
測(cè)試參數(shù):閃光時(shí)間、光通量、閃光上升時(shí)間、閃光下降時(shí)間
2、光譜系統(tǒng)
光譜分辨率:優(yōu)于2nm(50um光纖)
光譜