摘 要：LED空间光谱分布是指LED产品在空间各个方向上的光谱功率分布，通过该量值能够进一步导出LED产品在各方向的颜色和光度参数，即空间颜色分布和空间光度分布。空间光谱分布对于全面客观地评判照明产品尤其是LED产品的光学性能，进行合理的灯具和照明设计，从而更好地实现照明产品的推广应用十分重要。本文主要介绍了关于LED空间光谱分布测量方法的研究和相应的测量设备：分布光谱辐射计，详细阐述了一种我国拥有自主知识产权的高精度分布光谱辐射计及其关键组成部件。本文介绍的空间光色分布测量方法和设备不仅适用于LED产品，完全满足最新国家标准GB/T 24824-2009《普通照明用LED模块测试方法》的要求，也适用于传统照明产品，还为显示设备的测量提供了新的解决方案。

关键词：光谱辐射计，分布光谱辐射计，空间分布，光谱分布 

 

1 概述

    近年来，LED产业发展迅猛，LED产品的检测和标准化给业界带来了挑战。与传统光源相比，LED产品光电性能特殊，一些传统照明产品测量中所长期忽略或认为不重要的问题对LED产品的测量却十分重要，例如空间光谱分布测量。

传统照明产品的测量中，一般用积分球和光谱仪测量光源颜色、用分布光度计测量灯具光强分布。然而，这些测量却无法反映LED所普遍存在的空间光谱分布不均匀现象，即在不同的方向上的发光光谱不一致；而且在积分球内通常会产生热积累，导致球内温度上升，影响LED的测量精度；此外探测器的光谱失匹配也往往会给LED特别是单色LED的光度测量带来较大的误差。

LED空间光谱测量已经得到了国际测光界的广泛重视。美国NIST、德国PTB、英国NPL均已开始采用分布光谱辐射计测量LED产品的空间光谱分布和总光通量[1,2,3]。在我国最新发布的国家标准GB/T 24823-2009《普通照明用LED模块性能要求》和GB/T 24824-2009《普通照明用LED模块测试方法》中也对LED产品的空间光度分布和空间颜色分布作了具体规定。在国家863课题的支持下，我国科技工作者对LED的空间光谱测量技术进行了深入的研究，并且开发了具有自主知识产权的高精度分布光谱辐射计和LED空间光谱测量系统。

2 分布光谱辐射计

分布光谱辐射计一般由分布光度计和光谱辐射计组成，用光谱辐射计替代传统分布光度计中的光度探测器或者另增光谱辐射计的工位。光谱辐射计在分布光色测量中具有关键的作用，它测量被测照明产品在空间各个方向上的光谱功率分布，即空间光谱分布，并可根据CIE文件[4]计算该照明产品在空间各方向的颜色分布和光度参数分布。

在国家863课题的支持下，杭州远方光电信息有限公司（以下简称“远方公司”）通过自主创新，开发了一种具有自主知识产权的分布光谱辐射计，如图1所示它主要由HAAS-2000高精度快速光谱辐射计和GO-2000H卧式分布光度计组成，具有测量精度高、可靠性高和成本相对较低等优点。

图1：GO-2000H分布光谱辐射计系统示意图

转台是在卧式分布光度计的基础上开发的，被测照明产品被夹装在转台的旋转中心，在测量过程中绕水平轴和垂直轴旋转，而远处的HAAS-2000高精度光谱辐射计保持静止，测量照明产品在各个方向光色性能。该转台能够方便实现B-β系统和C-γ系统下的工作方式，而且转台采用了高性能机械传动设备，并安装有高精度编码器，确保转台的转角精度可高达0.05°。

然而，值得注意的是，要实现高精度的空间光谱分布测量，并不仅仅是把光谱辐射计和分布光度计搭积木式地放在一起那么简单。根据GB/T 24824-2009，分布光谱辐射计中的分布光度计转台和光谱辐射计不仅应满足各自精度要求，光谱辐射计还应具有足够快的测量速度，且应具备同步采样功能，以实现光谱采样与转台的角度转动同步。为满足上述要求，高精度快速光谱辐射计和使转台与光谱辐射计高度同步的测控系统是实现分布光谱辐射计必须解决的两个问题。

3 高精度快速光谱辐射计

顾名思义，高精度快速光谱辐射计具有较高的测量精度（与机械扫描的单色仪光谱仪同等精度），并具有极快的测量速度（毫秒级测量时间），它是半导体照明检测中最为重要的基础设备之一，国际半导体检测标准的发展趋势是高精度快速光谱仪的应用越来越广泛。此前，世界上仅有美国和德国各一家公司掌握了快速高精度光谱辐射计制造技术。远方公司在国家863课题的支持下，成功开发了拥有我国自主知识产权的HAAS-2000高精度快速光谱辐射计，利用自主创新，该HAAS-2000的部分关键指标甚至超过国外同类产品。

图2是HAAS-2000高精度快速光谱辐射计的光学原理示意图。与国外同类设备相同，HAAS-2000采用了世界高端的凹面平场衍射光栅和制冷型科学级CCD。从入射狭缝进入的光信号被凹面平场光栅分光并将色散光反射到科学级CCD上，科学级CCD具有二维阵列探测器，能够同时接收各个波长的单色光，实现快速测量。科学级制冷型CCD能够被制冷并恒温在－10℃。与普通快速光谱仪相比，高精度快速光谱辐射计在光学分辨率、波长准确度、杂散光控制水平、暗噪声输出、温度依赖性、线性动态范围和稳定性等方面具有良好的性能。

图2高精度快速光谱辐射计的实现原理图

然而实践证明即便是世界顶级的商用凹面平场衍射光栅和世界顶级的商用科学级CCD，其系统光学设计仍然是一个难题，它要求狭缝经色散后是一个均匀色散的光谱面，要求实现0.3nm的光谱分辨率，通过算法仿真和大量的试验，课题组改良了高精度快速光谱辐射计中科学级CCD和平场凹面光栅的光学设计，使二者在光学上更加匹配，保证系统获得的光谱更纯，线性更好。

3.1 杂散光控制技术

杂散光是指入射到探测器上的非期望波段的光辐射。减小杂散光是实现快速高精度测量最为关键的技术难题之一。本课题中采用多种方法减小和控制高精度光谱辐射计的杂散光, 整个系统实现了前所未有的1.00E-04的极低杂散光水平（在A光源条件下）：

（1）如上所述，通过改良科学级CCD和平场凹面光栅的光学设计，提供系统更纯、线性更好的光谱。

（2）在科学级CCD前使用线性可变滤色器（LVF）。

（3）带通色轮校正技术（BWCT）技术：利用带通色轮实现二次分光，从而大幅度减小远场杂散光（距被测波长较远的波长的杂散光）干扰。

（4） 激光解调和复变矩阵技术

该方法也可称为修正的NIST方法，为了校准杂散光，美国NIST使用了可调谐染料激光器，造价昂贵，且仅在实验室中使用。本课题成功将修正的NIST技术引入到高精度快速光谱辐射计的产业化过程中，优化了计算方法，缩短了优化计算所采用的时间，同时考虑了带外光谱的影响。采用激光解调和复变矩阵技术对杂散光进行修正的原理可用下式表示：

   （1）

其中，为光谱仪在波长i的位置测量所得的总信号，为经过杂散光修正后的波长为i的信号，为波长为i的位置上的杂散光信号，为杂散光分布矩阵的矩阵元，为带外的杂散光信号。

上式可转化为矩阵形式：

     （2）

其中，和按照波长i写成列向量，D是杂散光信号分布矩阵。

杂散光信号分布矩阵D是用快速光谱辐射计测量一组具有不同波长的激光而得到的。由于激光的带宽很窄，因此上述的矩阵D具有很高的精度。图3为使用该项技术前后，快速光谱辐射计所测量的一宽带光源的结果，由图3可知，该技术可使光谱辐射计的杂散光降低1到2个数量级。

图3：使用激光解调和复变矩阵技术达到的效果

3.2 外部触发控制技术

为实现与转台的同步以及LED中常用的瞬态测量，高精度快速光谱辐射计不仅具有稳态下的测量功能，还应具备触发功能。通过精密电学设计，HAAS-2000设置有“外部输入TRIGGER INPUT”接口。仪器为TTL下降沿触发，进入“输入触发”状态后，软件处于等待状态，等待有效触发电平的启动。HAAS-2000的触发功能分软件触发和内部触发两种。在软件触发操作下，手动输入积分时间，点击软件中的“触发测量”就可实现瞬间脉冲测量。在外部触发状态下，外部触发信号通过触发测试线的内芯提供TTL电平，仪器TTL电平下降沿触发工作。

图4：触发时序

4 分布控制系统

如何实现高精度快速光谱辐射计取样与转台转动的高度同步是分布光谱辐射计系统的又一个难题，若该问题处理不好，将会带来较大的测量误差。为了解决这一难题，全面提高分布光谱辐射计控制系统的可靠性和实时性，远方公司的863课题组彻底改良了原有的分布光度计控制系统，使用了CAN分布控制系统。

图5：原有的分布光度计控制系统

图6： GO-2000H所采用的CAN分布控制系统

如图5所示为原有的常规分布光度计控制系统，一般只有一个控制中心，电机和伺服放大器、光度计都需要通过很长的导线与控制中心连接，控制中心再与电脑连接。这种系统不仅维护和维修很不方便，而且实时性较差，难以实现所要求的高度同步，而且大量长导线也使系统的可靠性不高。

GO-2000H分布光谱辐射计中创新性地采用了CAN分布控制系统，如图6所示，系统中的每一个控制功位，如转台的转轴、HAAS-2000的控制、按键和显示等都由一个控制单元实现，每个控制单元中都包含有独立的微控制器，通过CAN总线连接进行高速数据通讯。CAN总线的高速通讯特点能够满足所要求的实时性，HAAS-2000和转台转轴能方便地实现同步，且CAN总线使得系统更加可靠，不仅如此，由于系统中每个单元都相对独立，系统的升级和维护十分方便。

5 分布光谱辐射计在显示设备测量领域的应用

上述的GO-2000H分布光谱辐射计可以为显示屏、背光源等显示设备的测量提供一定的解决方案。如图7所示，被测显示设备夹装在转台上，使用亮度取样装置作为HAAS-2000高精度快速光谱辐射计的光输入端口，亮度取样装置可置于二维平台上，通过转台中显示设备的空间转动和亮度取样装置的二维平动，实现显示设备上的各点在空间不同方向的亮度和光谱特性。

图7：分布光谱辐射计提供显示设备的测量解决方案

6 小结

随着LED产业以及传统照明产业的发展对相应照明产品的要求越来越高，空间光谱分布测量这种能全面准确地提供照明产品光学性能指标的测量将会得到越来越广泛的应用。与此同时，业界对于检测设备的精度、可靠性和国际比对一致性也提出了越来越高的要求。我国在863课题的支持下，利用原有基础，在高精度照明产品检测方面作了一些工作，并且取得了初步成绩。2009年底，德国OSRAM 总部测试中心将HAAS-2000高精度快速光谱辐射计与该中心所拥有的世界最高端设备进行了比对实验，结果表现出极高的一致性，HAAS-2000获得了可代表世界最高水平的德国方面的高度赞誉。目前该设备已经入选国家科技部首批“国家自主创新产品”，有望在政府级别的实验室建设和项目研究中发挥更大的作用。

先进检测方法和设备对于产业发展至关重要，我国应在这一方面进一步投入，不断提升技术和工艺，优化系统集成。希望我国自主开发的设备能够为我国的半导体照明产业、为“十城万盏”等项目的顺利进行发挥积极作用，对促进我国照明产业升级和发展提供有力支持。

参考文献

[1] C.C. Miller, Y. Zong, and Y. Ohno, LED Photometric Calibrations at the National Institute of Standards and Technology and Future Measurement Needs of LEDs. Proc. SPIE Fourth International Conference on Solid State Lighting, Denver, CO, 5530, 69-79, 2004.

[2] G. Sauter. Gonioradiometry of Luminescent Diodes. Metrologia, 28(3), 239-242, 1991.

[3] Paul Miller, Louise Wright Measurement Challenges for Absolute Photometry of Solid-state Lighting: Spatial Distribution and Integration, Proceeding of CIE Light and Lighting Conference, 2009

[4] CIE 15.3-2004. Colorimetry, the 3rd edition.