光谱仪发展及其在LED照明测量中应用.pdf

光谱仪的发展及其在LED照明测量中的应用 周超 张维杨晰惟 苏跃华 李倩1 1 2 1 1.远方光电科学研究院，浙江杭州，310053 2.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， 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（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 780 780   ()d683 V() ()dv   e 380 380 (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 700 E  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 700   L  L()B  d B 300 (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