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微型高分辨率光纤光谱仪在LED测量领域的应用
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1. 引言
测试LED 各类光谱参数基本上有三种方法，一是用单色仪分光后进行测量。二是把测量光用若干块不同波长的带通滤光片过滤后到达光探测器，光探测器一般用光电倍增管和硅光电二极管。三是把测量光经衍射光栅分光后到达线阵CCD 电荷耦合器件。前一种方法计量部门运用较多，但测量时间较长。后面面两种方法主要用于便携式光谱测试仪对LED 进行多参数一次性快速测量，用同一结构配置的硬件测量多个参数，测量精度高。利用荷兰Avantes的光纤光谱仪可以监测LED测量中的光强度（单位为μWatt/cm2/nm）、辐射量（μWatt/cm2, μJoule/cm2，μWatt 或μJoule）、光度量（Lux 或 Lumen）、色坐标X, Y, Z, x, y,z, u, v 和色温等十多个参数，例如：主波长、纯度、中心波长、峰值波长，质心等。
2.光谱仪部分
2.1 仪器原理
荷兰Avantes 公司的AvaSpec-2048 系列光纤光谱仪，采用对称式光路设计，入射焦距和色散焦距都是75mm；包括光纤接头（标准SMA 接口，也可以选择其它类型的接口）、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和Sony ILX554B型2048 像素线阵CCD 探测器，波长范围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 数字/模拟接口。
2.2.1 外触发功能
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪能够在接受外触发信号之后仅延迟1.3 μs 就开始采样；该光谱仪还可以发出一个TTL 信号来触发脉冲激光器，而且在AvaSoft 软件中可以设置采样开始时间与该激光脉冲之间的延迟（-42ns 至2.7 ms，步长42 ns），-42 ns 的负延迟采样时间的特性对测量脉冲激光器非常有用。
AvaSpec-2048FT 的这些特点使其适用于需要快速响应和需要与外触发信号精确同步的应用领域（它的时间抖动只有± 21 ns），例如传送带上的产品检测等。而输出TTL 信号的特性则可使其用于激光诱导击穿光谱（LIBS）测量或荧光测量，这些应用都要求激光脉冲发射一段时间之后开始采样。
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪可以同时监测最多8 个输出参数随时间的变化，如用户定义的函数、积分、峰值（波长，相对强度）等。函数可以用Visual-Basic 代码编写。时序测量的结果可以被存储、载入或者打印。缩放和全景显示功能可以把时序测量结果中感兴趣的部分快速放大至全图显示。 [p]
2.2.3 独立测量功能
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪可以配置成进行独立测量工作，而不必使用计算机。
USB2 平台的AvaSpec-2048 光谱仪添加了蓝牙（-BT）通信以及在板卡上存储光谱的SDRAM 卡选项，能够实现远距离测量和传输（大于300 米）以及长时间光谱数据存储。
2.2.4 宽光谱范围内的高分辨率
对于等离子体测量和LIBS 测量，一般都要求光谱仪在较宽的光谱范围内，具有较高的分辨率。
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪的最高分辨率可达0.04nm，而多通道光谱仪可以满足在200-900nm 光谱范围内，分辨率优于0.1nm，同时使用光纤束进行探测（一端为一个光纤接头，用于探测信号;另一端为多个接头，连接各个通道），操作既简单，又可以保证探测位于同一位置的信号。
2.2.5 对称式光路设计
对称式光路的入射焦距和色散焦距比是严格的1:1 关系，在CCD 上成的是完美的直线象，并且由于不存在光路交叉，使得杂散光的影响被降低到最小。
2.2.6 多通道间数据同步采样
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪可以配置成双通道或多通道（USB1.1 平台最多8 个，USB2.0 平台最多128），采用主从电路板控制，各通道间实现真正意义上的同步数据采集。每个通道均包括一个独立的光学平台。
2.2.7 温度稳定性好，热漂移小
AvaSpec-2048 光谱仪的光学元件和底板间采用无应力装配，出厂前经过特殊工序处理，因此环境温度对光谱仪影响极小，环境温度每变化1℃仅漂移0.1 个像元；优秀的温度稳定性确保了长时间测量的精确性和可重复性。
3.LED 测量实验
3.1 LED 测量系统
根据测试LED 不同的光谱参数，需要搭建不同的配置。由于 LED 发光面独有的外形尺寸，导致其发光很难均匀化，测量LED 总光通量最简单最便捷的方法就是使用积分球和Avantes 公司的光谱仪。 积分球是测量光辐射的最简单的器件。积分球的内表面是完美的漫射体，具有非常均匀的空间反射性。辐射光在内表面上经过多次反射后变得十分均匀，导致在球壁上任何一点的光辐射度都相同。
测试LED 各类光谱参数基本上有三种方法，一是用单色仪分光后进行测量。二是把测量光用若干块不同波长的带通滤光片过滤后到达光探测器，光探测器一般用光电倍增管和硅光电二极管。三是把测量光经衍射光栅分光后到达线阵CCD 电荷耦合器件。前一种方法计量部门运用较多，但测量时间较长。后面面两种方法主要用于便携式光谱测试仪对LED 进行多参数一次性快速测量，用同一结构配置的硬件测量多个参数，测量精度高。利用荷兰Avantes的光纤光谱仪可以监测LED测量中的光强度（单位为μWatt/cm2/nm）、辐射量（μWatt/cm2, μJoule/cm2，μWatt 或μJoule）、光度量（Lux 或 Lumen）、色坐标X, Y, Z, x, y,z, u, v 和色温等十多个参数，例如：主波长、纯度、中心波长、峰值波长，质心等。
2.光谱仪部分
2.1 仪器原理
荷兰Avantes 公司的AvaSpec-2048 系列光纤光谱仪，采用对称式光路设计，入射焦距和色散焦距都是75mm；包括光纤接头（标准SMA 接口，也可以选择其它类型的接口）、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和Sony ILX554B型2048 像素线阵CCD 探测器，波长范围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 数字/模拟接口。
图 1 光学平台
图2 AvaSpec-2048 系列光纤光谱仪
2.2.1 外触发功能
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪能够在接受外触发信号之后仅延迟1.3 μs 就开始采样；该光谱仪还可以发出一个TTL 信号来触发脉冲激光器，而且在AvaSoft 软件中可以设置采样开始时间与该激光脉冲之间的延迟（-42ns 至2.7 ms，步长42 ns），-42 ns 的负延迟采样时间的特性对测量脉冲激光器非常有用。
AvaSpec-2048FT 的这些特点使其适用于需要快速响应和需要与外触发信号精确同步的应用领域（它的时间抖动只有± 21 ns），例如传送带上的产品检测等。而输出TTL 信号的特性则可使其用于激光诱导击穿光谱（LIBS）测量或荧光测量，这些应用都要求激光脉冲发射一段时间之后开始采样。
图 3 外触发时序图
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪可以同时监测最多8 个输出参数随时间的变化，如用户定义的函数、积分、峰值（波长，相对强度）等。函数可以用Visual-Basic 代码编写。时序测量的结果可以被存储、载入或者打印。缩放和全景显示功能可以把时序测量结果中感兴趣的部分快速放大至全图显示。 [p]
2.2.3 独立测量功能
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪可以配置成进行独立测量工作，而不必使用计算机。
USB2 平台的AvaSpec-2048 光谱仪添加了蓝牙（-BT）通信以及在板卡上存储光谱的SDRAM 卡选项，能够实现远距离测量和传输（大于300 米）以及长时间光谱数据存储。
2.2.4 宽光谱范围内的高分辨率
对于等离子体测量和LIBS 测量，一般都要求光谱仪在较宽的光谱范围内，具有较高的分辨率。
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪的最高分辨率可达0.04nm，而多通道光谱仪可以满足在200-900nm 光谱范围内，分辨率优于0.1nm，同时使用光纤束进行探测（一端为一个光纤接头，用于探测信号;另一端为多个接头，连接各个通道），操作既简单，又可以保证探测位于同一位置的信号。
2.2.5 对称式光路设计
对称式光路的入射焦距和色散焦距比是严格的1:1 关系，在CCD 上成的是完美的直线象，并且由于不存在光路交叉，使得杂散光的影响被降低到最小。
2.2.6 多通道间数据同步采样
AvaSpec-2048FT 快触发型光谱仪可以配置成双通道或多通道（USB1.1 平台最多8 个，USB2.0 平台最多128），采用主从电路板控制，各通道间实现真正意义上的同步数据采集。每个通道均包括一个独立的光学平台。
2.2.7 温度稳定性好，热漂移小
AvaSpec-2048 光谱仪的光学元件和底板间采用无应力装配，出厂前经过特殊工序处理，因此环境温度对光谱仪影响极小，环境温度每变化1℃仅漂移0.1 个像元；优秀的温度稳定性确保了长时间测量的精确性和可重复性。
3.LED 测量实验
3.1 LED 测量系统
根据测试LED 不同的光谱参数，需要搭建不同的配置。由于 LED 发光面独有的外形尺寸，导致其发光很难均匀化，测量LED 总光通量最简单最便捷的方法就是使用积分球和Avantes 公司的光谱仪。 积分球是测量光辐射的最简单的器件。积分球的内表面是完美的漫射体，具有非常均匀的空间反射性。辐射光在内表面上经过多次反射后变得十分均匀，导致在球壁上任何一点的光辐射度都相同。
图 5 AvaSpec-2048 LED 测量系统典型配置
图 6 AvaSpec-2048 LED 测量系统光通量测量典型配置
图7 AvaSpec-2048 LED 测量系统软件测量界面 [p]
图8 AvaSpec-2048 LED 测量过程控制界面强大的过程控制软件，可以随时对LED 各项光谱参数进行在线过程监测。
3.2 LED 测量实验操作
进行完系统的搭建之后就可以进行LED 的标准测量，在实验室中进行LED 的品质和性能检测时可以按照一下步骤进行：
1.系统搭建。打开AvaSoft 光谱仪测量软件。
2.将LED 安装在AvaSphere-LED-adapter 上置于积分球中。
3.点亮LED 点击开始按钮，选择合适的积分时间和平均次数，然后关闭LED 保存暗背景。
4.在Setup 选项中选中扣除暗背景，并且正确设置该选项中的样条和平滑参数。
5.点亮LED，点击Application 选项中的绝对辐射测量选项开始测量设置，设置完成后点击OK 键开始测量。如果您需要对某一个或几个参数监测其随时间的变化，也可以在测量前进行设置测量，详细的操作流程请您参阅软件操作手册，里面有十分详细的操作介绍。
4.光谱仪在LED 工业中的应用
荷兰Avantes 的光纤光谱仪在LED 的工业生产中已经有非常成熟的应用，现在已经应用的领域有LED 分光，以及汽车仪表照明LED 的品质检测，LED 成品和半成品检测等等。目前LED 工业中的典型应用有以下几类：
· LED 芯片在线光谱性能检测
· LED 产品挑选、分级品质检测
· LED 生产厂家出货检验
· LED 生产封装前后的在线品质控制
荷兰 Avantes 光纤光谱仪的强大的模拟和数字I/O 接口（接口上有13 个可编程的I/O 端口，3 个数字输入，10个数字输出,还有2个模拟输出口和2个模拟输入口）、USB及RS232接口，使得光谱仪可以在有/无计算机环境下轻松使用。结合AS-5216-DLL 和IRRAD-DLL 动态链接库，可以方便的与PLS 机及外围设备进行通信，便于二次开发和集成, 大赢数控设备（深圳）有限公司已经在LED 分光机中得到成功应用。
图 9 深圳大赢LED 分光设备
图 10 单色LED 测量 [p]
利用这一特性可以很方便的把光谱仪集成到在线的质量控制、品质挑选设备中，并且，利用过程控制软件，对LED 各项参数进行在线监测，而且还可以将编写好的程序写入硬件板卡中后使光谱仪独立工作，
图11 大功率白光LED 在线监测5.综述
利用荷兰 Avantes 光纤光谱仪进行LED 测量可以有下面几点优势：
1.在线测量
使用USB2.0 技术，每秒钟可进行上百次测量。产品自带数字和模拟信号I/O 端口，可方便的给出报警、触发等信号，极大的方便了在线测量。
2. 便于集成到系统
提供功能强大的 DLL 驱动程序，使您完全操控仪器的动作，极大的方便了您进行二次开发。同时产品有极佳的同步功能，让您随心所欲的安排设备之间的时间响应次序。
3. 高靠性
产品所有元件均采用无应力装配，有极高的可靠性，环境温度对光谱仪影响极小，环境温度每变化1℃仅漂移0.1 个像元，完全适应工业测试环境。
4.测量速度快
AvaSpec-2048-USB2 可以实现每秒900 个光谱的超高速采样速率，数据传输速度为1.8ms.
5. 小巧便携
175×110×44mm，716 克，真正的便携式设备。方便您到任何场地进行测量。
6.结论
用AvaSpec-LED 测量系统进行LED 的颜色、主波长、色温等光度参数的测量、LED 品质检测等方面的应用具有功能强大、性价比高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点，而且体积小巧，带有模拟输入输出功能容易和其他系统进行通信集成，方便集成到系统中进行在线监测。(end)
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