可见波段LED光谱标准灯的研制

可见波段LED光谱标准灯的研制

刘 慧1，魏 岚2，赵伟强1，闫劲云1，吴薛平2，姜 琳1，苏 颖1

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.厦门信达光电物联科技研究院有限公司，福建 厦门 361003)

摘 要：在光辐射测量领域由于缺少在380～450 nm波段光谱功率足够大的标准光源，使得该波段的测量不确定度明显高于其余可见光波段，不能满足高精度测量的需求。基于LED多光谱匹配技术，研制了一种宽波段LED光源，将白光LED的光谱拓展至整个可见光波段。该方法为标准光源的研制提供了一条新的技术路线。实验结果表明，6种LED芯片与特制荧光粉所匹配的宽光谱LED具有良好的重复性和稳定性，光通量的重复性优于0.3%，色温的重复性为3 K,与白炽标准灯相当；用所研制的宽光谱LED 作为标准灯标定红、绿、蓝、白LED 的总光通量和色品坐标与白炽标准灯的偏差在不确定度范围之内。

关键词：标准光源；LED；光谱匹配；光谱总辐射通量；不确定度

引言

用于光辐射量值保存和传递的标准灯是光辐射测量中的重要标准器，性能优良的标准灯是保证光辐射量值一致统一的基础。长期以来由于缺少在可见波段的蓝端光谱功率足够大的标准光源[1]，使得380～450 nm 波段的测量不确定度明显高于其他波段，不能满足电光源、生物、材料、航空领域和科学研究等对高精度测量的需求。

LED光源的光谱具有可调制的特点，可以通过一定的方法增强蓝端的光谱功率，这为新型标准灯的研制提供了一条新的技术途径。然而市场上出售的普通白色LED 的光谱不能完全覆盖380～780 nm,在420～720 nm波段以外能量很低[2]，仅适用于光度量值的传递。因此，为提升白色LED 在420～720 nm波段以外的能量，本研究采用6种不同峰值的LED，并配备专用的荧光粉，将白光LED 的光谱拓展至整个可见光范围，尤其是提高了蓝端的光谱功率。这种宽波段的白色LED 代替白炽灯进行光谱总辐射通量、辐射照度、辐射亮度的量值传递，或作为参考光源用于探测器相对光谱灵敏度的标定,在蓝端能有效地降低测量结果的不确定度。

1 标准灯现状

光辐射测量标准器伴随着人工照明光源的发展而发展。1860年人类历史上最早的光辐射测量标准器“蜡烛”诞生了，特制的蜡烛在一定的条件下点燃，规定火焰水平方向的发光强度为1 cd。之后使用液体染料的“卡索尔灯”和“赫夫纳灯”出现了，1909年美、英、法三国协议用一组45支碳丝白炽灯来保存发光强度的单位，从那时起白炽灯便成为光辐射测量的标准器，由于其良好的量值再现性和长期稳定性，一直沿用至今。白炽标准灯的制作工艺复杂、价格昂贵，从商业渠道获得科学级别的标准灯变得越来越困难[3]。

研制新的适合光辐射度量值传递的标准灯是国际光辐射计量的一个热点，许多国家计量院都投入了巨大的人力和物力开展此领域的研究工作。国际计量和标准化组织正在致力于建立基于LED的光度量值传递体系及采用LED作为发光体的标准器的研制[4]。“新的用于光度、色度、辐射度测量的标准光源”(new calibration sources and illuminants for photometry,colorimetry,and radiometry)被国际照明委员会(CIE)列入十大战略规划，光度辐射度咨询委员会(CCPR)成立了专门的工作组探索使用白光LED作为光度测量的传递标准的可行性[5，6]。韩国开发了具有高色温和低色温的基于LED芯片的总光通量测量标准灯，并可根据客户要求定制。日本计量院(NMIJ)与日亚公司(NICHIA)合作研制了宽波段LED 标准光源，用于LED平均光强、总光通量、辐射通量和光谱辐射通量的量值传递，如图1所示[2]。

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图1 NMIJ研制的覆盖整个可见波段的白光LED 的光谱图
Fig.1 Spectrum of white LED with expended wavelength developed by NMIJ

2 光谱拓展方法

我们采用数字模拟的方法，对于一组不同波长的LED芯片，其在某一输入控制电流d时的混合光谱功率分布(SPD)Sm(λ,d)可表示为

(1)

式中λ表示波长，这里取值范围为380～780 nm，d为输入控制电流，n为本研究所使用的不同峰值波长的LED芯片的数量，Si(λ,di)代表第i个LED芯片在其输入控制电流为di时的SPD[7]。考虑到LED芯片的光谱特性往往随其输入控制电流发生变化，各LED芯片在任意有效控制电流时的SPD通过预先测得的其一系列控制电流时的SPD插值获得。

因此，通过调整各LED芯片的输入控制电流d可混合出目标SPD。这里的目标SPD为CIE标准光源E(等能光源)[8]，则这一调整过程可转化为求解式(2)的最小值问题：

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(2)

其中

(3)

式中，dopt代表所要寻求的各LED芯片的输入控制电流，f1(d)代表光谱匹配精度评价指标(p)[9]。

本研究最终采用一组由6种窄带LED和特制荧光粉方案，白光LED的光谱拓展至整个可见光波段，光谱如图2 所示。所研制的宽光谱LED为板上芯片(COB)封装，每个COB 由48颗LED芯片串并联构成，设置电压为37 V,电流为200 mA，当采用220.00 V的交流供电时，电流为59.02 mA，光通量为250 lm，光功率为1 013 W。

图2 两种宽光谱 LED 的相对光谱功率分布
Fig.2 Relative spectral power distribution of two wide spectrum LED lamps

3 实验结果

对于所研制的LED灯，我们进行了短期稳定性考核，测试时将COB LED封装固定在一个半导体制冷的夹具上，设定温度为25 ℃。随机选取一只灯点燃，预热5 min后进行测量，关断后冷却30 min，再重新进行测量，共进行7次测量，测量结果如表1所示。我们还在间隔3个月后重复测量了所研制的4 只样灯，以考察其长期稳定性，测量结果如表2所示。

感官质量鉴定采用专家组评吸法进行。评价指标包括香气质、香气量、杂气、刺激性、余味、燃烧性和灰色得分以及感官质量总分。以0.5分为最小的记分单位，各感官指标满分分值分别是香气质18分、香气量16分、杂气16分、刺激性20分、余味22分、燃烧性4分、灰色4分，合计100分。评吸在室内自然通风条件下进行。

表1 宽光谱LED点燃重复性
Table 1 Repeatability of wide spectrum LED

测量次数电流/mA电压/V总光通量/lm色温/K120.0032.72448.5054 963220.0032.72448.5024 962320.0032.72448.5054 960420.0032.72448.5014 962520.0032.72448.5014 963620.0032.72448.5054 963720.0032.72448.5024 962

表2 宽光谱LED三个月间的点燃重复性
Table 2 Repeatability of wide spectrum LED at three months

灯号第一轮第二轮两轮偏差光通量/lm色温/K光通量/lm色温/K光通量/lm色温/K宽149.98386649.98 38660.00%0宽250.58399150.58 39890.00%2宽348.38496448.504964-0.25%0宽450.21496550.22 4962-0.02%3

从表1和表2可见，宽光谱LED灯具有良好的重复性和稳定性，间隔3个月光通量的变化小于0.3%，色温的最大变化为3 K，与白炽标准灯相当。

为了验证宽光谱LED 灯作为光谱总辐射通量灯的量值传递能力，我们用配CAS140-CT 光谱辐射计的球形光谱辐射计测量红、绿、蓝、白光LED的光通量和颜色参数并同白炽灯作为传递标准的测量结果进行比对，如表3所示。

表3 宽光谱LED标准与白炽标准的比较
Table 3 Comparison of wide spectrum LED and incandescent standard

被测灯标准灯光通量xy白S1028宽15.205 lm0.307 50.324 8白炽灯5.170 lm0.307 50.324 8偏差0.7%0.000 00.000 0红S1027宽10.648 6 lm0.693 80.306 0白炽灯0.650 5 lm0.693 70.305 9偏差-0.3%0.000 10.000 1绿S1701宽17.350 0 lm0.17520.732 0白炽灯7.299 lm0.175 20.732 9偏差0.7%0.000 0-0.000 9蓝S1024宽10.895 7 lm0.136 10.054 4白炽灯0.886 0 lm0.135 90.054 2偏差1.1%0.000 20.000 2

从表3可见，使用宽光谱LED与白炽灯作为传递标准的光通量的偏差最大仅为1.1%，色品坐标的偏差最大仅为0.000 2，从而验证了宽光谱LED 的适用性。

4 结论

可见光波段LED光谱标准灯有效地解决了白炽标准灯蓝端信号低的问题。经实验验证，它可用于总光通量、颜色参数量值的传递,是白炽标准灯和普通白光LED标准灯的有益补充，也是研制基于LED的光度、辐射度标准灯的新途径。这将对建立基于LED的光度、辐射度的量值传递体系，解决标准白炽灯短波光谱功率低的问题,提升LED光度测量技术对相关行业的计量支撑能力，具有广阔的应用前景。

参考文献

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Development of A Visible Band LED Standard Lamp for Spectrum Measurement

LIU Hui,WEI Lan,ZHAO Weiqiang,YAN Jinyun,WU Xinping,JIAN Lin,SU Ying

(1.National Institute of Metrology,Beijing 100029,China;2.Xiamen Xindeco Lot &Optoelectronics Technology Insttitute Co.,Ltd,Xiamen 361003,China)

Abstract：In the field of optical radiation measurement,due to the lack of a standard light source with sufficient spectral power in the 380～450 nm band,the measurement uncertainty of this band is significantly higher than that of the rest of the visible light band and could not meet the needs of high-precision measurement requirement.Based on LED multi-spectral matching technology,a kind of wide band LED light source was developed to extend the spectrum of white LED to the entire visible spectrum band.This work provides a new technical route for the development of standard light source.The experimental results show that the wide spectrum LEDs composed by six kinds of LED chips and the special phosphors have good repeatability and stability.The repeatability of the optical flux is better than 0.3%,and the repeatability of the color temperature is 3 K,which is equivalent to that of the incandescent standard lamp.The wide spectrum LED is used as the standard lamp to measure the total luminous flux and chromatic coordinates of the red,green,blue and white LEDs,the deviation from the incandescent standard is within the range of uncertainty.

Key words:standard lamp;LED;spectral matching;total spectral luminous flux;uncertainty

中图分类号：O432.3

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2019.02.001