摘 要 由于LED 的快速發(fā)展，LED 的特性測(cè)量問題日益受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源相比，發(fā)光二極管（LED）具有壽命長(zhǎng)、光效高、功耗低及便于維修等優(yōu)點(diǎn)，因此，對(duì)LED 性能參數(shù)的測(cè)試就顯得越加重要。目前，測(cè)量LED 最簡(jiǎn)單的方法就是使用荷蘭Avantes 公司的微小型光纖光譜儀進(jìn)行測(cè)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(cè)量方面的應(yīng)用。
1. 引言
測(cè)試LED 各類光譜參數(shù)基本上有三種方法，一是用單色儀分光后進(jìn)行測(cè)量。二是把測(cè)量光用若干塊不同波長(zhǎng)的帶通濾光片過濾后到達(dá)光探測(cè)器，光探測(cè)器一般用光電倍增管和硅光電二極管。三是把測(cè)量光經(jīng)衍射光柵分光后到達(dá)線陣CCD 電荷耦合器件。前一種方法計(jì)量部門運(yùn)用較多，但測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。后面面兩種方法主要用于便攜式光譜測(cè)試儀對(duì)LED 進(jìn)行多參數(shù)一次性快速測(cè)量，用同一結(jié)構(gòu)配置的硬件測(cè)量多個(gè)參數(shù)，測(cè)量精度高。利用荷蘭Avantes的光纖光譜儀可以監(jiān)測(cè)LED測(cè)量中的光強(qiáng)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(biāo)X, Y, Z, x, y,z, u, v 和色溫等十多個(gè)參數(shù)，例如：主波長(zhǎng)、純度、中心波長(zhǎng)、峰值波長(zhǎng)，質(zhì)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(duì)稱式光路設(shè)計(jì)，入射焦距和色散焦距都是75mm；包括光纖接頭（標(biāo)準(zhǔn)SMA 接口，也可以選擇其它類型的接口）、準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554B型2048 像素線陣CCD 探測(cè)器，波長(zhǎng)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(shù)字/模擬接口。
圖 1 光學(xué)平臺(tái)
圖2 AvaSpec-2048 系列光纖光譜儀
2.2 功能及特點(diǎn)
2.2.1 外觸發(fā)功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀能夠在接受外觸發(fā)信號(hào)之后僅延遲1.3 μs 就開始采樣；該光譜儀還可以發(fā)出一個(gè)TTL 信號(hào)來觸發(fā)脈沖激光器，而且在AvaSoft 軟件中可以設(shè)置采樣開始時(shí)間與該激光脈沖之間的延遲（-42ns 至2.7 ms，步長(zhǎng)42 ns），-42 ns 的負(fù)延遲采樣時(shí)間的特性對(duì)測(cè)量脈沖激光器非常有用。
AvaSpec-2048FT 的這些特點(diǎn)使其適用于需要快速響應(yīng)和需要與外觸發(fā)信號(hào)精確同步的應(yīng)用領(lǐng)域（它的時(shí)間抖動(dòng)只有± 21 ns），例如傳送帶上的產(chǎn)品檢測(cè)等。而輸出TTL 信號(hào)的特性則可使其用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）測(cè)量或熒光測(cè)量，這些應(yīng)用都要求激光脈沖發(fā)射一段時(shí)間之后開始采樣。
圖 3 外觸發(fā)時(shí)序圖
2.2.2 歷史通道功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以同時(shí)監(jiān)測(cè)最多8 個(gè)輸出參數(shù)隨時(shí)間的變化，如用戶定義的函數(shù)、積分、峰值（波長(zhǎng)，相對(duì)強(qiáng)度）等。函數(shù)可以用Visual-Basic 代碼編寫。時(shí)序測(cè)量的結(jié)果可以被存儲(chǔ)、載入或者打印。縮放和全景顯示功能可以把時(shí)序測(cè)量結(jié)果中感興趣的部分快速放大至全圖顯示。
2.2.3 獨(dú)立測(cè)量功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以配置成進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量工作，而不必使用計(jì)算機(jī)。
USB2 平臺(tái)的AvaSpec-2048 光譜儀添加了藍(lán)牙（-BT）通信以及在板卡上存儲(chǔ)光譜的SDRAM 卡選項(xiàng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳輸（大于300 米）以及長(zhǎng)時(shí)間光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
2.2.4 寬光譜范圍內(nèi)的高分辨率
對(duì)于等離子體測(cè)量和LIBS 測(cè)量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜范圍內(nèi)，具有較高的分辨率。
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀的最高分辨率可達(dá)0.04nm，而多通道光譜儀可以滿足在200-900nm 光譜范圍內(nèi)，分辨率優(yōu)于0.1nm，同時(shí)使用光纖束進(jìn)行探測(cè)（一端為一個(gè)光纖接頭，用于探測(cè)信號(hào);另一端為多個(gè)接頭，連接各個(gè)通道），操作既簡(jiǎn)單，又可以保證探測(cè)位于同一位置的信號(hào)。
2.2.5 對(duì)稱式光路設(shè)計(jì)
對(duì)稱式光路的入射焦距和色散焦距比是嚴(yán)格的1:1 關(guān)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(shù)據(jù)同步采樣
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以配置成雙通道或多通道（USB1.1 平臺(tái)最多8 個(gè)，USB2.0 平臺(tái)最多128），采用主從電路板控制，各通道間實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步數(shù)據(jù)采集。每個(gè)通道均包括一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)平臺(tái)。
2.2.7 溫度穩(wěn)定性好，熱漂移小
AvaSpec-2048 光譜儀的光學(xué)元件和底板間采用無應(yīng)力裝配，出廠前經(jīng)過特殊工序處理，因此環(huán)境溫度對(duì)光譜儀影響極小，環(huán)境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個(gè)像元；優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性確保了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的精確性和可重復(fù)性。
3.LED 測(cè)量實(shí)驗(yàn)
3.1 LED 測(cè)量系統(tǒng)
根據(jù)測(cè)試LED 不同的光譜參數(shù)，需要搭建不同的配置。由于 LED 發(fā)光面獨(dú)有的外形尺寸，導(dǎo)致其發(fā)光很難均勻化，測(cè)量LED 總光通量最簡(jiǎn)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(cè)量光輻射的最簡(jiǎn)單的器件。積分球的內(nèi)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(nèi)表面上經(jīng)過多次反射后變得十分均勻，導(dǎo)致在球壁上任何一點(diǎn)的光輻射度都相同。
圖 5 AvaSpec-2048 LED 測(cè)量系統(tǒng)典型配置
該系統(tǒng)可以用輻射定標(biāo)光AvaLight-HAL-CAL-ISP進(jìn)行標(biāo)定。用AvaSoft-IRRAD 輻射測(cè)量軟件可以從測(cè)得的光譜分布計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而可進(jìn)行絕對(duì)輻射測(cè)量。同時(shí)還可以計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)被測(cè)光的強(qiáng)度。系統(tǒng)裝置圖如下：
圖 6 AvaSpec-2048 LED 測(cè)量系統(tǒng)光通量測(cè)量典型配置
在利用功能強(qiáng)大AvaSoft－FULL 和輻射測(cè)量軟件進(jìn)行LED 測(cè)量的過程中，我們可以實(shí)時(shí)的查看測(cè)量中的各種參數(shù)，并且還可以在歷史通道功能中設(shè)置您需要進(jìn)行時(shí)間監(jiān)控的值。軟件的測(cè)量界面如下幾附圖所示：
圖7 AvaSpec-2048 LED 測(cè)量系統(tǒng)軟件測(cè)量界面
圖8 AvaSpec-2048 LED 測(cè)量過程控制界面
強(qiáng)大的過程控制軟件，可以隨時(shí)對(duì)LED 各項(xiàng)光譜參數(shù)進(jìn)行在線過程監(jiān)測(cè)。
3.2 LED 測(cè)量實(shí)驗(yàn)操作
進(jìn)行完系統(tǒng)的搭建之后就可以進(jìn)行LED 的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行LED 的品質(zhì)和性能檢測(cè)時(shí)可以按照一下步驟進(jìn)行：
1.系統(tǒng)搭建。打開AvaSoft 光譜儀測(cè)量軟件。
2.將LED 安裝在AvaSphere-LED-adapter 上置于積分球中。
3.點(diǎn)亮LED 點(diǎn)擊開始按鈕，選擇合適的積分時(shí)間和平均次數(shù)，然后關(guān)閉LED 保存暗背景。
4.在Setup 選項(xiàng)中選中扣除暗背景，并且正確設(shè)置該選項(xiàng)中的樣條和平滑參數(shù)。
5.點(diǎn)亮LED，點(diǎn)擊Application 選項(xiàng)中的絕對(duì)輻射測(cè)量選項(xiàng)開始測(cè)量設(shè)置，設(shè)置完成后點(diǎn)擊OK 鍵開始測(cè)量。如果您需要對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)監(jiān)測(cè)其隨時(shí)間的變化，也可以在測(cè)量前進(jìn)行設(shè)置測(cè)量，詳細(xì)的操作流程請(qǐng)您參閱軟件操作手冊(cè)，里面有十分詳細(xì)的操作介紹。
4.光譜儀在LED 工業(yè)中的應(yīng)用
荷蘭Avantes 的光纖光譜儀在LED 的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有非常成熟的應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用的領(lǐng)域有LED 分光，以及汽車儀表照明LED 的品質(zhì)檢測(cè)，LED 成品和半成品檢測(cè)等等。目前LED 工業(yè)中的典型應(yīng)用有以下幾類：
· LED 芯片在線光譜性能檢測(cè)
· LED 產(chǎn)品挑選、分級(jí)品質(zhì)檢測(cè)
· LED 生產(chǎn)廠家出貨檢驗(yàn)
· LED 生產(chǎn)封裝前后的在線品質(zhì)控制
荷蘭 Avantes 光纖光譜儀的強(qiáng)大的模擬和數(shù)字I/O 接口（接口上有13 個(gè)可編程的I/O 端口，3 個(gè)數(shù)字輸入，10個(gè)數(shù)字輸出,還有2個(gè)模擬輸出口和2個(gè)模擬輸入口）、USB及RS232接口，使得光譜儀可以在有/無計(jì)算機(jī)環(huán)境下輕松使用。結(jié)合AS-5216-DLL 和IRRAD-DLL 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，可以方便的與PLS 機(jī)及外圍設(shè)備進(jìn)行通信，便于二次開發(fā)和集成, 大贏數(shù)控設(shè)備（深圳）有限公司已經(jīng)在LED 分光機(jī)中得到成功應(yīng)用。
圖 9 深圳大贏LED 分光設(shè)備
圖 10 單色LED 測(cè)量
利用這一特性可以很方便的把光譜儀集成到在線的質(zhì)量控制、品質(zhì)挑選設(shè)備中，并且，利用過程控制軟件，對(duì)LED 各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，而且還可以將編寫好的程序?qū)懭胗布蹇ㄖ泻笫构庾V儀獨(dú)立工作，
圖11 大功率白光LED 在線監(jiān)測(cè)
5.綜述
利用荷蘭 Avantes 光纖光譜儀進(jìn)行LED 測(cè)量可以有下面幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
1.在線測(cè)量
使用USB2.0 技術(shù)，每秒鐘可進(jìn)行上百次測(cè)量。產(chǎn)品自帶數(shù)字和模擬信號(hào)I/O 端口，可方便的給出報(bào)警、觸發(fā)等信號(hào)，極大的方便了在線測(cè)量。
2. 便于集成到系統(tǒng)
提供功能強(qiáng)大的 DLL 驅(qū)動(dòng)程序，使您完全操控儀器的動(dòng)作，極大的方便了您進(jìn)行二次開發(fā)。同時(shí)產(chǎn)品有極佳的同步功能，讓您隨心所欲的安排設(shè)備之間的時(shí)間響應(yīng)次序。
3. 高靠性
產(chǎn)品所有元件均采用無應(yīng)力裝配，有極高的可靠性，環(huán)境溫度對(duì)光譜儀影響極小，環(huán)境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個(gè)像元，完全適應(yīng)工業(yè)測(cè)試環(huán)境。
4.測(cè)量速度快
AvaSpec-2048-USB2 可以實(shí)現(xiàn)每秒900 個(gè)光譜的超高速采樣速率，數(shù)據(jù)傳輸速度為1.8ms.
5. 小巧便攜
175×110×44mm，716 克，真正的便攜式設(shè)備。方便您到任何場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量。
6.結(jié)論
用AvaSpec-LED 測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行LED 的顏色、主波長(zhǎng)、色溫等光度參數(shù)的測(cè)量、LED 品質(zhì)檢測(cè)等方面的應(yīng)用具有功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且體積小巧，帶有模擬輸入輸出功能容易和其他系統(tǒng)進(jìn)行通信集成，方便集成到系統(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。
