脈沖LED發(fā)光強度的時間特性—光譜特性測試裝置

一、前言
脈沖LED能在極短時間內(nèi)發(fā)出很強的光，在景觀照明等方面具有廣泛的應用。它的發(fā)光強度棗時間特性棗光譜特性是脈沖LED的重要特性指標。本工作旨在為脈沖LED的生產(chǎn)廠家研制一套簡單適用、性能價格比相對較高并且能同時測試脈沖LED發(fā)光強度的時間特性和光譜特性的測試系統(tǒng)，用于產(chǎn)品的研制和檢驗。
關(guān)于照明光源的顏色的測量方法，已有國家標準，另外還建立了一些國家標準和行業(yè)標準是涉及具體種類如高壓鈉燈泡、熒光高壓汞燈泡和管形鏑燈等的光電參數(shù)測量方法的。本項目工作是在以上標準的指導下進行的。
整個裝置是由積分球、光源及其專用電源、時間特性測試系統(tǒng)、光譜特性測試系統(tǒng)和總控制系統(tǒng)構(gòu)成的。
待測光源是產(chǎn)自多個國內(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)點燃電壓分檔可調(diào)，以便適應不同規(guī)格的閃光管。在燈的點燃方式上，本系統(tǒng)采用了外界電路觸發(fā)和手動觸發(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來，避免產(chǎn)生干擾，光譜儀產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，進行同步，同時光譜儀完成脈沖光測量。
二、積分球
本裝置用積分球是由丹東市萬冠測試設備廠按有關(guān)標準制造的。積分球內(nèi)徑為20厘米，其整體被分塊焊接成兩個半球形，活動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，并用來裝設燈、屏的支架(或吊線)和測量孔。
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。涂覆過程中，將摻入少量聚乙烯醇的硫酸鋇水溶液，分數(shù)次均勻地噴涂在積分球的內(nèi)表面上。
三、標準光源及其電源
標準光源由標定好的鹵鎢絲燈泡及其配套電源構(gòu)成。用來標定光譜儀系統(tǒng)。鹵鎢絲燈泡經(jīng)由中國計量科學研究院光學處標定，并給出其色溫在2855.6K附近時的工作電壓(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)定度達到0.1％。在本系統(tǒng)中使用的標準光源，采用了數(shù)控軟啟動和軟關(guān)斷技術(shù)，使得燈泡在程序控制下，逐漸點燃達到工作電壓(或電流)，熄滅時，逐漸降低燈電壓(或電流)直至完全熄滅。
四、時間特性測試系統(tǒng)
光強棗時間特性測試系統(tǒng)主要用來測量LED的發(fā)光強度的時間特性曲線。這是脈沖光源及其相應電源的一個重要參數(shù)。整個系統(tǒng)測量LED經(jīng)由積分球后的光信號，此系統(tǒng)主要有以下幾部分組成：
光電探測器及其放大器：使用硅材料的PIN光電二極管，主要指標:感光部分面積0.5平方毫米，脈沖響應時間小于1ns，主要用于超快光測量。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，僅保留測量需要的可見光部分。
數(shù)據(jù)采集卡:將光電探測器測量到的電壓信號數(shù)字化保存在計算機內(nèi)并顯示出來。本系統(tǒng)使用美國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。
軟件系統(tǒng):采用美國NI公司的LABVIEW完成脈沖光信號的采集和計算。
本軟件主要計算的參量為:光信號上升到最大光信號的約1/3至光信號下降到最大光信號的約1/3的時間間隔作為閃光時間，閃光時間特性曲線的積分值作為總光通量。
需要說明的是:本測試系統(tǒng)的設計思想是實現(xiàn)同時快速測試脈沖LED發(fā)光強度的時間特性和光譜特性兩個主要特性指標。未了測試時便于切換，兩個特性的測試系統(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LED時間特性的測量精度主要決定于光電探測器及其放大器及數(shù)據(jù)采集卡的時間響應特性，而積分球?qū)Υ瞬]有實質(zhì)性的影響。
五、光譜特性測試系統(tǒng)
照明光源的光色特性及其表征量如色坐標、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。本工作中的測色是建立在光譜光度法基礎上的。具體設備包括：光纖、平像場光柵光譜儀、線陣CCD及其驅(qū)動電路、電信號處理系統(tǒng)以及光譜軟件等。
1、測量光源的相對光譜能量分布
用積分球測量光譜能量分布時，需要與光譜能量標準光源作比較，標準光源的電源以穩(wěn)定電源供電。光源的光譜輻射強度與波長的關(guān)系稱為光源的光譜能量分布。光譜輻射強度的相對值與波長的關(guān)系稱為光源的相對光譜能量分布。
測量光源的相對光譜能量分布采用與標準燈相比較的方法。標準燈的光譜輻射強度是已知的，可以表示為Ss(λ)。先將標準光源放進積分球，獲得光譜響應曲線Rs(λ)。然后將待測光源換進積分球，獲得光譜響應曲線Rt(λ)。待測光源的相對光譜能量分布為:

式中:Ss(λ)為標準光源相對光譜功率分布，Rt(λ)為待測光源光電探測器讀數(shù)，Rs(λ)為標準光源光電探測器讀數(shù)。
為適應LED的光譜分布測量，采用了時間積分多通道光電測量法。光譜儀設計為交叉C桾結(jié)構(gòu)，光纖將光信號耦合輸入光譜儀，線陣CCD光電接收器將光譜光信號轉(zhuǎn)換為電信號。此系統(tǒng)也可以用于穩(wěn)恒光源的光譜特性測量。
2、光源色品坐標的計算
本工作采用光譜光度測色法的測量結(jié)果計算光源的色品坐標。因為我們只求色品坐標，所以我們只需測量光標的相對光譜能量(功率)分布，我們只需要計算出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的相對值即可，最后求出CIE1931XYZ色度系統(tǒng)中的色品坐標x，y或者CIE1960“UCS”均勻表色系統(tǒng)中的色坐標u，v。
3、光源相關(guān)色溫TCP的計算
當計算得到光源的u，v色坐標值后，可利用CIE1960“UCS”圖(u，v色坐標圖)上的黑體軌跡和等溫線，尋找黑體軌跡上距離待測光源色坐標最近的點，以待測光源的u，v色坐標點為圓心，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，即該等溫線與黑體軌跡曲線垂直相交的那一點，通過一定的計算程序計算出切點的坐標，就得知了待測光源的相關(guān)色溫。
4、光源顯色指數(shù)的測量和計算
顯色性是光源的重要特性參數(shù)之一。評價光源的顯色性一般是以檢驗色樣分別在參照光源和待測光源照明下總的色品位移為基礎定量評價光源的顯色性的。被照明物體的顏色感覺除與光源的光譜能量分布及物體的反射率有關(guān)外，還與人眼的適應狀態(tài)有關(guān)，被稱為人眼的色適應效應(色覺恒?，F(xiàn)象)。
為減少色適應效應的影響，在評價任意光源的顯色性時，選取與待測光源色溫接近甚至相等的參照光源(基準光源)，參照光源并不用具體的光源，而用參照照明體。對色溫在5000K以下的光源，用黑體作為參照光源；對色溫在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(應小于5.4×10-3)。
一旦確定參照光源的色溫，則可計算參照光源的光譜功率分布。
5、平均顯色指數(shù)Ra的計算
六、總控系統(tǒng)
儀器的總控制系統(tǒng)由一臺計算機擔當。計算機使用光譜測量軟件通過串行口控制光譜儀采集光譜信號，并同時設定閃光觸發(fā)時間。同時計算機能過時間特性測量軟件設定數(shù)據(jù)采集卡閃光信號觸發(fā)電平。由譜儀觸發(fā)LED電源，在閃光同時采集光譜信號，數(shù)據(jù)采集卡采集發(fā)光時間特性曲線，光譜特性和時間特性曲線兩個測量同時完成。隨后由相應軟件計算給出所要測量的參數(shù)。在使用相應的軟件設定完儀器測試參數(shù)后，測試期間不需要計算機的干預，所有測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
1、光強-時間特性系統(tǒng)
時間分辨率(采樣時間間隔):50ns
光強動態(tài)范圍:46dB
光測量波段:可見光(400-700nm)
測試參數(shù):閃光時間、光通量、閃光上升時間、閃光下降時間
2、光譜系統(tǒng)
光譜分辨率:優(yōu)于2nm(50um光纖)
光譜