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摘 要 由于LED 的快速發展，LED 的特性測量問題日益受到國際社會的關注。與白熾燈、熒光燈等傳統光源相比，發光二極管（LED）具有壽命長、光效高、功耗低及便于維修等優點，因此，對LED 性能參數的測試就顯得越加重要。目前，測量LED 最簡單的方法就是使用荷蘭Avantes 公司的微小型光纖光譜儀進行測量，本文以荷蘭Avantes 公司的微型光纖光譜儀AvaSpec-2048 為例，介紹微型光譜儀在LED 測量方面的應用。

1. 引言

測試LED 各類光譜參數基本上有三種方法，一是用單色儀分光后進行測量。二是把測量光用若干塊不同波長的帶通濾光片過濾后到達光探測器，光探測器一般用光電倍增管和硅光電二極管。三是把測量光經衍射光柵分光后到達線陣CCD 電荷耦合器件。前一種方法計量部門運用較多，但測量時間較長。后面面兩種方法主要用于便攜式光譜測試儀對LED 進行多參數一次性快速測量，用同一結構配置的硬件測量多個參數，測量精度高。利用荷蘭Avantes的光纖光譜儀可以監測LED測量中的光強度（單位為μWatt/cm2/nm）、輻射量（μWatt/cm2, μJoule/cm2，μWatt 或μJoule）、光度量（Lux 或 Lumen）、色坐標X, Y, Z, x, y,z, u, v 和色溫等十多個參數，例如：主波長、純度、中心波長、峰值波長，質心等。

2.光譜儀部分

2.1 儀器原理

荷蘭Avantes 公司的AvaSpec-2048 系列光纖光譜儀，采用對稱式光路設計，入射焦距和色散焦距都是75mm；包括光纖接頭（標準SMA 接口，也可以選擇其它類型的接口）、準直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554B型2048 像素線陣CCD 探測器，波長范圍200-1100nm，最高分辨率0.04nm，接口方面提供USB1.1 或USB2.0接口、RS-232 接口和I/O 數字/模擬接口。

圖 1 光學平臺

圖2 AvaSpec-2048 系列光纖光譜儀

2.2 功能及特點

2.2.1 外觸發功能

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀能夠在接受外觸發信號之后僅延遲1.3 μs 就開始采樣；該光譜儀還可以發出一個TTL 信號來觸發脈沖激光器，而且在AvaSoft 軟件中可以設置采樣開始時間與該激光脈沖之間的延遲（-42ns 至2.7 ms，步長42 ns），-42 ns 的負延遲采樣時間的特性對測量脈沖激光器非常有用。

AvaSpec-2048FT 的這些特點使其適用于需要快速響應和需要與外觸發信號精確同步的應用領域（它的時間抖動只有± 21 ns），例如傳送帶上的產品檢測等。而輸出TTL 信號的特性則可使其用于激光誘導擊穿光譜（LIBS）測量或熒光測量，這些應用都要求激光脈沖發射一段時間之后開始采樣。

圖 3 外觸發時序圖

2.2.2 歷史通道功能

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀可以同時監測最多8 個輸出參數隨時間的變化，如用戶定義的函數、積分、峰值（波長，相對強度）等。函數可以用Visual-Basic 代碼編寫。時序測量的結果可以被存儲、載入或者打印。縮放和全景顯示功能可以把時序測量結果中感興趣的部分快速放大至全圖顯示。

2.2.3 獨立測量功能

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀可以配置成進行獨立測量工作，而不必使用計算機。

USB2 平臺的AvaSpec-2048 光譜儀添加了藍牙（-BT）通信以及在板卡上存儲光譜的SDRAM 卡選項，能夠實現遠距離測量和傳輸（大于300 米）以及長時間光譜數據存儲。

2.2.4 寬光譜范圍內的高分辨率

對于等離子體測量和LIBS 測量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜范圍內，具有較高的分辨率。

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀的最高分辨率可達0.04nm，而多通道光譜儀可以滿足在200-900nm 光譜范圍內，分辨率優于0.1nm，同時使用光纖束進行探測（一端為一個光纖接頭，用于探測信號;另一端為多個接頭，連接各個通道），操作既簡單，又可以保證探測位于同一位置的信號。

2.2.5 對稱式光路設計

對稱式光路的入射焦距和色散焦距比是嚴格的1:1 關系，在CCD 上成的是完美的直線象，并且由于不存在光路交叉，使得雜散光的影響被降低到最小。

2.2.6 多通道間數據同步采樣

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀可以配置成雙通道或多通道（USB1.1 平臺最多8 個，USB2.0 平臺最多128），采用主從電路板控制，各通道間實現真正意義上的同步數據采集。每個通道均包括一個獨立的光學平臺。

2.2.7 溫度穩定性好，熱漂移小

AvaSpec-2048 光譜儀的光學元件和底板間采用無應力裝配，出廠前經過特殊工序處理，因此環境溫度對光譜儀影響極小，環境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個像元；優秀的溫度穩定性確保了長時間測量的精確性和可重復性。

3.LED 測量實驗

3.1 LED 測量系統

根據測試LED 不同的光譜參數，需要搭建不同的配置。由于 LED 發光面獨有的外形尺寸，導致其發光很難均勻化，測量LED 總光通量最簡單最便捷的方法就是使用積分球和Avantes 公司的光譜儀。 積分球是測量光輻射的最簡單的器件。積分球的內表面是完美的漫射體，具有非常均勻的空間反射性。輻射光在內表面上經過多次反射后變得十分均勻，導致在球壁上任何一點的光輻射度都相同。

圖 5 AvaSpec-2048 LED 測量系統典型配置

該系統可以用輻射定標光AvaLight-HAL-CAL-ISP進行標定。用AvaSoft-IRRAD 輻射測量軟件可以從測得的光譜分布計算出相關參數，進而可進行絕對輻射測量。同時還可以計算、顯示和存儲被測光的強度。系統裝置圖如下：

圖 6 AvaSpec-2048 LED 測量系統光通量測量典型配置

在利用功能強大AvaSoft－FULL 和輻射測量軟件進行LED 測量的過程中，我們可以實時的查看測量中的各種參數，并且還可以在歷史通道功能中設置您需要進行時間監控的值。軟件的測量界面如下幾附圖所示：

圖7 AvaSpec-2048 LED 測量系統軟件測量界面

圖8 AvaSpec-2048 LED 測量過程控制界面

強大的過程控制軟件，可以隨時對LED 各項光譜參數進行在線過程監測。

3.2 LED 測量實驗操作

進行完系統的搭建之后就可以進行LED 的標準測量，在實驗室中進行LED 的品質和性能檢測時可以按照一下步驟進行：

1.系統搭建。打開AvaSoft 光譜儀測量軟件。
2.將LED 安裝在AvaSphere-LED-adapter 上置于積分球中。
3.點亮LED 點擊開始按鈕，選擇合適的積分時間和平均次數，然后關閉LED 保存暗背景。
4.在Setup 選項中選中扣除暗背景，并且正確設置該選項中的樣條和平滑參數。
5.點亮LED，點擊Application 選項中的絕對輻射測量選項開始測量設置，設置完成后點擊OK 鍵開始測量。如果您需要對某一個或幾個參數監測其隨時間的變化，也可以在測量前進行設置測量，詳細的操作流程請您參閱軟件操作手冊，里面有十分詳細的操作介紹。

4.光譜儀在LED 工業中的應用

荷蘭Avantes 的光纖光譜儀在LED 的工業生產中已經有非常成熟的應用，現在已經應用的領域有LED 分光，以及汽車儀表照明LED 的品質檢測，LED 成品和半成品檢測等等。目前LED 工業中的典型應用有以下幾類：

· LED 芯片在線光譜性能檢測
· LED 產品挑選、分級品質檢測
· LED 生產廠家出貨檢驗
· LED 生產封裝前后的在線品質控制

荷蘭 Avantes 光纖光譜儀的強大的模擬和數字I/O 接口（接口上有13 個可編程的I/O 端口，3 個數字輸入，10個數字輸出,還有2個模擬輸出口和2個模擬輸入口）、USB及RS232接口，使得光譜儀可以在有/無計算機環境下輕松使用。結合AS-5216-DLL 和IRRAD-DLL 動態鏈接庫，可以方便的與PLS 機及外圍設備進行通信，便于二次開發和集成, 大贏數控設備（深圳）有限公司已經在LED 分光機中得到成功應用。

圖 9 深圳大贏LED 分光設備

圖 10 單色LED 測量

利用這一特性可以很方便的把光譜儀集成到在線的質量控制、品質挑選設備中，并且，利用過程控制軟件，對LED 各項參數進行在線監測，而且還可以將編寫好的程序寫入硬件板卡中后使光譜儀獨立工作，

圖11 大功率白光LED 在線監測

5.綜述

利用荷蘭 Avantes 光纖光譜儀進行LED 測量可以有下面幾點優勢：

1.在線測量

使用USB2.0 技術，每秒鐘可進行上百次測量。產品自帶數字和模擬信號I/O 端口，可方便的給出報警、觸發等信號，極大的方便了在線測量。

2. 便于集成到系統

提供功能強大的 DLL 驅動程序，使您完全操控儀器的動作，極大的方便了您進行二次開發。同時產品有極佳的同步功能，讓您隨心所欲的安排設備之間的時間響應次序。

3. 高靠性

產品所有元件均采用無應力裝配，有極高的可靠性，環境溫度對光譜儀影響極小，環境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個像元，完全適應工業測試環境。

4.測量速度快

AvaSpec-2048-USB2 可以實現每秒900 個光譜的超高速采樣速率，數據傳輸速度為1.8ms.

5. 小巧便攜

175×110×44mm，716 克，真正的便攜式設備。方便您到任何場地進行測量。

6.結論

用AvaSpec-LED 測量系統進行LED 的顏色、主波長、色溫等光度參數的測量、LED 品質檢測等方面的應用具有功能強大、性價比高、測量精度高、測量速度快、操作簡單等特點，而且體積小巧，帶有模擬輸入輸出功能容易和其他系統進行通信集成，方便集成到系統中進行在線監測。