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(zhuān)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(xiàn))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(xiàn),。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(xiàn)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?xún)蓚€(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(xiàn)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(chēng)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)Rt(λ)。

    　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(xiàn)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(chēng)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(xiàn),，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(xiàn)為半徑作圓，必與黑體軌跡曲線(xiàn)相切于一點(diǎn),，即該等溫線(xiàn)與黑體軌跡曲線(xiàn)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(chēng)為人眼的色適應(yīng)效應(yīng)(色覺(jué)恒?，F(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(xiàn),，光譜特性和時(shí)間特性曲線(xiàn)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)

　    光譜強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍:300(Pk-Pk)

　    光譜范圍:380-780nm

　    測(cè)量時(shí)間:5ms-2s

　    測(cè)試參數(shù):光譜分布、CIE1931色坐標(biāo),、CIE1960色坐標(biāo),、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)