脉冲LED发光强度的时间特性—光谱特性测试装置

    一、前言
    脉冲LED能在极短时间内发出很强的光，在景观照明等方面具有广泛的应用。它的发光强度棗时间特性棗光谱特性是脉冲LED的重要特性指标。本工作旨在为脉冲LED的生产厂家研制一套简单适用、性能价格比相对较高并且能同时测试脉冲LED发光强度的时间特性和光谱特性的测试系统，用于产品的研制和检验。
    关于照明光源的颜色的测量方法，已有国家标准，另外还建立了一些国家标准和行业标准是涉及具体种类如高压钠灯泡、荧光高压汞灯泡和管形镝灯等的光电参数测量方法的。本项目工作是在以上标准的指导下进行的。
    整个装置是由积分球、光源及其专用电源、时间特性测试系统、光谱特性测试系统和总控制系统构成的。
    待测光源是产自多个国内厂家的白光LED、单色LED，我们自制了与之相配套的脉冲电源，采用数控调压方式，使得工作电压每0.1V连续可调，调整范围为0.1-5V，触发点燃电压分档可调，以便适应不同规格的闪光管。在灯的点燃方式上，本系统采用了外界电路触发和手动触发两种方式，并使用光电隔离，将外触发电路同光源电路隔离开来，避免产生干扰，光谱仪产生触发脉冲，进行同步，同时光谱仪完成脉冲光测量。
    二、积分球
    本装置用积分球是由丹东市万冠测试设备厂按有关标准制造的。积分球内径为20厘米，其整体被分块焊接成两个半球形，活动的半球用铰链边接到固定的半球上，固定半球固定在支架底座上，并用来装设灯、屏的支架(或吊线)和测量孔。
    球体内表面及附件(如屏等)表面均涂覆一层硫酸钡白色涂料。涂覆过程中，将掺入少量聚乙烯醇的硫酸钡水溶液，分数次均匀地喷涂在积分球的内表面上。
    三、标准光源及其电源
    标准光源由标定好的卤钨丝灯泡及其配套电源构成。用来标定光谱仪系统。卤钨丝灯泡经由中国计量科学研究院光学处标定，并给出其色温在2855.6K附近时的工作电压(或电流)。与之配套电源采用稳压(或恒流)电路，提供灯泡稳定的工作电压(或电流)，电源稳定度达到0.1％。在本系统中使用的标准光源，采用了数控软启动和软关断技术，使得灯泡在程序控制下，逐渐点燃达到工作电压(或电流)，熄灭时，逐渐降低灯电压(或电流)直至完全熄灭。
    四、时间特性测试系统
    光强棗时间特性测试系统主要用来测量LED的发光强度的时间特性曲线。这是脉冲光源及其相应电源的一个重要参数。整个系统测量LED经由积分球后的光信号，此系统主要有以下几部分组成：
    光电探测器及其放大器：使用硅材料的PIN光电二极管，主要指标:感光部分面积0.5平方毫米，脉冲响应时间小于1ns，主要用于超快光测量。放大器使用FET输入的宽带放大器，采用电流放大电路，放大光电二极管的光电流，使之达到数据采集卡所需要的电压。
    滤光片:使用QB21色玻璃滤光片，将LED的红外光部分滤掉，仅保留测量需要的可见光部分。
    数据采集卡:将光电探测器测量到的电压信号数字化保存在计算机内并显示出来。本系统使用美国NI公司数据采集卡，最小数据采集间隔50ns，并具有触发电压可程序调整的特点。
    软件系统:采用美国NI公司的LABVIEW完成脉冲光信号的采集和计算。
    本软件主要计算的参量为:光信号上升到最大光信号的约1/3至光信号下降到最大光信号的约1/3的时间间隔作为闪光时间，闪光时间特性曲线的积分值作为总光通量。
    需要说明的是:本测试系统的设计思想是实现同时快速测试脉冲LED发光强度的时间特性和光谱特性两个主要特性指标。未了测试时便于切换，两个特性的测试系统统一装置在了一起。积分球是为了消除LED光谱特性的空间各向异性而用的，对LED时间特性的测量精度主要决定于光电探测器及其放大器及数据采集卡的时间响应特性，而积分球对此并没有实质性的影响。
    五、光谱特性测试系统
    照明光源的光色特性及其表征量如色坐标、色温和显色指数等是由照明光源的光谱能量分布决定的。本工作中的测色是建立在光谱光度法基础上的。具体设备包括：光纤、平像场光栅光谱仪、线阵CCD及其驱动电路、电信号处理系统以及光谱软件等。
    1、测量光源的相对光谱能量分布
    用积分球测量光谱能量分布时，需要与光谱能量标准光源作比较，标准光源的电源以稳定电源供电。光源的光谱辐射强度与波长的关系称为光源的光谱能量分布。光谱辐射强度的相对值与波长的关系称为光源的相对光谱能量分布。
    测量光源的相对光谱能量分布采用与标准灯相比较的方法。标准灯的光谱辐射强度是已知的，可以表示为Ss(λ)。先将标准光源放进积分球，获得光谱响应曲线Rs(λ)。然后将待测光源换进积分球，获得光谱响应曲线Rt(λ)。待测光源的相对光谱能量分布为:
   
    式中:Ss(λ)为标准光源相对光谱功率分布，Rt(λ)为待测光源光电探测器读数，Rs(λ)为标准光源光电探测器读数。
    为适应LED的光谱分布测量，采用了时间积分多通道光电测量法。光谱仪设计为交叉C桾结构，光纤将光信号耦合输入光谱仪，线阵CCD光电接收器将光谱光信号转换为电信号。此系统也可以用于稳恒光源的光谱特性测量。
    2、光源色品坐标的计算
    本工作采用光谱光度测色法的测量结果计算光源的色品坐标。因为我们只求色品坐标，所以我们只需测量光标的相对光谱能量(功率)分布，我们只需要计算出CIE1931XYZ色度系统中的色匹配函数或称为等能量光谱的三刺激值X、Y、Z的相对值即可，最后求出CIE1931XYZ色度系统中的色品坐标x，y或者CIE1960“UCS”均匀表色系统中的色坐标u，v。
    3、光源相关色温TCP的计算
    当计算得到光源的u，v色坐标值后，可利用CIE1960“UCS”图(u，v 色坐标图)上的黑体轨迹和等温线，寻找黑体轨迹上距离待测光源色坐标最近的点，以待测光源的u，v色坐标点为圆心，以与之相交的等温线为半径作圆，必与黑体轨迹曲线相切于一点，即该等温线与黑体轨迹曲线垂直相交的那一点，通过一定的计算程序计算出切点的坐标，就得知了待测光源的相关色温。
    4、光源显色指数的测量和计算
    显色性是光源的重要特性参数之一。评价光源的显色性一般是以检验色样分别在参照光源和待测光源照明下总的色品位移为基础定量评价光源的显色性的。被照明物体的颜色感觉除与光源的光谱能量分布及物体的反射率有关外，还与人眼的适应状态有关，被称为人眼的色适应效应(色觉恒常现象)。
    为减少色适应效应的影响，在评价任意光源的显色性时，选取与待测光源色温接近甚至相等的参照光源(基准光源)，参照光源并不用具体的光源，而用参照照明体。对色温在5000K以下的光源，用黑体作为参照光源；对色温在5000K以上的光源，则用CIE合成昼光作为参照光源。即使色温相同，但参照光源与待侧光源仍然存在一定的色度差(应小于5.4×10-3)。
    一旦确定参照光源的色温，则可计算参照光源的光谱功率分布。
    5、平均显色指数Ra的计算
    六、总控系统
    仪器的总控制系统由一台计算机担当。计算机使用光谱测量软件通过串行口控制光谱仪采集光谱信号，并同时设定闪光触发时间。同时计算机能过时间特性测量软件设定数据采集卡闪光信号触发电平。由谱仪触发LED电源，在闪光同时采集光谱信号，数据采集卡采集发光时间特性曲线，光谱特性和时间特性曲线两个测量同时完成。随后由相应软件计算给出所要测量的参数。在使用相应的软件设定完仪器测试参数后，测试期间不需要计算机的干预，所有测试均有各部分子系统协同完成。
    七、仪器系统的性能和指标
    1、光强-时间特性系统
    时间分辨率(采样时间间隔):50ns
    光强动态范围:46dB
    光测量波段:可见光(400-700nm)
    测试参数:闪光时间、光通量、闪光上升时间、闪光下降时间
    2、光谱系统
    光谱分辨率:优于2nm(50um光纤)
    光谱强度动态范围:300(Pk-Pk)
    光谱范围:380-780nm
    测量时间:5ms-2s
    测试参数:光谱分布、CIE1931色坐标、CIE1960色坐标、相关色温、显色指数