光纖光譜儀測量發(fā)光二極管色度實驗研究

錢惠國，郭 海，曹利利，駱 軍

（1.浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004；2.浙江師范大學(xué) 信息光學(xué)研究所，浙江 金華 321004）

發(fā)光二極管（LED）具有體積小、功耗小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已在指示、照明、裝飾及顏色分析等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1－3]。隨著LED生產(chǎn)技術(shù)的提高，目前市場上已出現(xiàn)了紅、綠、藍(lán)、白等各種顏色的LED產(chǎn)品。為了進(jìn)一步促進(jìn)LED生產(chǎn)質(zhì)量的提高和應(yīng)用的推廣，對LED色度的定量測量研究顯得越來越為重要和迫切[4－6]。

LED色度的測量主要有光電積分法[7－8]和分光光譜測量法[9－11]。光電積分法利用具有特定光譜靈敏度積分元件，直接測量出LED顏色的三刺激值或色度坐標(biāo)。雖然光電積分法具有快速、便捷的優(yōu)點(diǎn)，但相比之下，分光光譜測量方法具有更高的測量精度，因此在色度研究中常使用分光光譜測量法。在分光光譜法測量色度系統(tǒng)中，光譜儀是重要的組成部分。目前，測量系統(tǒng)中常用的光譜儀有棱鏡光譜儀、光柵光譜儀等，具有光譜分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。近幾年出現(xiàn)了光纖光譜儀，具有體積小、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)，用其進(jìn)行物體色度測量將是研究的趨勢和熱點(diǎn)。本文搭建了光纖光譜儀色度測量系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)對LED的色度進(jìn)行了測量和研究。

1 色度測量原理

在CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)中，對于某一顏色可以用三刺激值（X，Y，Z）或色度坐標(biāo)（x，y，z）來表示。如果測得某發(fā)光物體的光譜功率分布為φ（λ），則其三刺激值和色度坐標(biāo)可以通過下式計算[12]：

對于實際計算，（1）式中的積分用求和代替，其表達(dá)式為：

利用式（2）和式（3），通過 Matlab編程計算，可方便地得到物體顏色的色度坐標(biāo)。

2 實驗裝置

用光纖光譜儀測量發(fā)光二極管色度的實驗裝置示意圖如圖1所示。穩(wěn)壓電源經(jīng)可調(diào)電阻R和電鍵后與LED連接，調(diào)節(jié)電阻R使LED正常工作。光纖光譜儀的光纖探頭對準(zhǔn)LED，收集光譜信號。光纖光譜儀與計算機(jī)連接，測得的光源光譜功率由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并計算得到色度坐標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)光源用于光纖光譜儀的波長校正和強(qiáng)度校正。

圖1 光纖光譜儀測量LED色度實驗裝置示意圖

3 實驗步驟

（1）用汞燈對光纖光譜儀進(jìn)行波長校正，然后用光纖光譜儀測出標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)舻墓庾V功率分布，標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)舻睦碚摴庾V功率分布與測得的光譜功率分布的比值是光纖光譜儀的強(qiáng)度校正系數(shù)。

（2）點(diǎn)亮LED，并調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R使LED正常工作，用光纖光譜儀測出LED的光譜功率分布，測得的LED光譜功率分布乘以強(qiáng)度校正系數(shù)k就是LED的實際光譜功率分布。

（3）對LED的光譜功率分布進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，使其波長范圍為380～780nm，波長間隔為1nm。

（4）根據(jù)色度學(xué)原理，計算LED的色度坐標(biāo)。

4 實驗結(jié)果及分析

標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)舻睦碚摴庾V功率分布如圖2所示，光纖光譜儀測得的標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)舻墓庾V功率分布如圖3所示。圖4為光纖光譜儀的強(qiáng)度校正系數(shù)曲線，圖5為光纖光譜儀測得的、經(jīng)強(qiáng)度校正后的白色LED的光譜功率分布，圖6是強(qiáng)度校正后的紅、綠、藍(lán)色LED的光譜功率分布。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)舻睦碚摴庾V功率分布

圖3 標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)舻膶崪y光譜功率分布

圖4 光纖光譜儀的強(qiáng)度校正曲線

圖5 白色LED的光譜功率分布曲線

圖6 紅、綠、藍(lán)色LED的光譜功率分布曲線

表1給出了正常工作時（驅(qū)動電流為20mA），紅、綠、藍(lán)和白色LED色度的實驗測量結(jié)果。結(jié)果表明，白色LED的色度測量值與理論典型值相符合，且與色度學(xué)系統(tǒng)中等能E光源的色度（x＝0.33，y＝0.33）十分接近，紅、綠、藍(lán)色LED的顏色具有很好的色飽和度。圖7顯示了紅、綠、藍(lán)、白色LED色度在CIE色度圖中的位置。

表1 紅、綠、藍(lán)、白色LED色度的測量結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過實驗，研究了用光纖光譜儀測量發(fā)光二極管色度的方法。該方法先用標(biāo)準(zhǔn)光源對光纖光譜儀進(jìn)行波長和強(qiáng)度校正，然后結(jié)合積分球測出發(fā)光二極管的光譜功率分布，最后根據(jù)色度學(xué)原理計算出發(fā)光二極管的色度坐標(biāo)。實驗表明，用光纖光譜儀測量發(fā)光二極管的色度特性方法簡單快捷、測量結(jié)果準(zhǔn)確。若開發(fā)為綜合性教學(xué)實驗，能加深學(xué)生對色度測量方法的理解，并能有效地促進(jìn)學(xué)生綜合實驗?zāi)芰Φ奶岣摺?/p>

圖7 LED顏色在CIE色度圖中的位置

（References）

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