光谱仪发展及其在LED照明测量中的应用

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1、光谱仪的发展及其在LED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，但又相互契合。本文首先介绍了主流光谱的原理和分类，

2、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（

3、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：780780()d683V()()dv380380e(1)式中，V()是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率，()是辐射通量。e光合作用有效辐射（PAR）的计算如下：700EE()dP400(2)式中，E()是光谱福照度。蓝光危害加权辐射的计算如下：700LL()BdB300(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，光

4、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，单色仪仅使某一单色光通

5、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单通道探测器，一次性接收所测

6、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：CIE63-1984TheSpectroradiometricMeasurementofLightSourcesJJG(浙)85-2006《光谱辐射分

7、析仪》检定规程IESLM-58-13Approvedmethod:Spectroradiometricmeasurementmethodsforlightsources（北美）JISZ8724-1997Methodsofcolourmeasurement-Light-sourcecolour（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CIE63-1984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