基于光谱辐射计的光源光通量的高精度快速测量方法

基于光谱辐射计的光源光通量的高精度快速测量方法
1．概述
光源光通量是光源最重要的参数之一，精确测量光通量是光源测量的基础，对于光源的光效测量和节能效果的评价十分重要。

积分球是光源光通量测量中经常采用的仪器，它是利用光在积分球内的均匀漫反射涂层多次反射，达到空间积分的作用而进行测量的，具有测量速度快的优势。

被测光源的光通量结果是通过与标准灯结果比较得出的，由于标准灯种类的限制，标准灯和被测光源的光谱功率分布往往存在着较大的差异，这给精确测量被测光源的光通量带来了一定的难度，尤其是LED那样的准单色光源。

图1所示为标准A光源和准单色LED的相对光谱功率分布曲线，二者存在很大差异，若用光
度探头测量光源光通量，二者在不同的光谱区域使探测器产生响应，对光度探头的光谱灵
敏度曲线S(l)rel的V(l)匹配要求非常高。

考虑到光度探头一般在红光和蓝光区域的V(l)匹
配不够理想，这更这类LED光源的精确测量更加带来了挑战。

图1：准单色LED和被测光源的相对光谱功率分布曲线
2.基于光谱辐射计测量光源光通量
积分球的探测窗口连接光谱辐射计测量光源的光谱功率分布，并计算光源的光度值：
其中，为光谱辐射功率，V(l)为标准光谱光效函数，为最大光效率时的转换系数，即683lm/W。

这种方法也被称为分光法，它可以有效解决由光度探头的V(l)失匹配
带来的误差，并且除了光通量外，还可以根据测得的光谱辐射功率计算出光源的色品坐标、色温、显色指数、色容差等对于光源的评价和利用十分重要的色度参数。

3.光谱辐射计的性能要求
用分光法测量光源的光通量以及色度的精度主要取决于所采用的光谱辐射计。

光谱辐射计可以分为两大类型：机械扫描单色仪光谱辐射计和快速多通道光谱辐射计。

前者使用单通量探测器，测量速度慢，但精度（波长准确度、光谱分辨率等）高；后者测量速度快（毫秒级测量速度），但各仪器之间性能差别很大。

建议使用与单色仪光谱仪精度（波长准确度、光谱分辨率等）相当的高精度快速光谱辐射计测量光源尤其是窄带光源的光通量，以得到良好的结果。

在测量光源光通量时，以下几个参数是尤其值得重视的：
(1)测量速度
用单色仪光谱辐射计一次测量可能要花费1到2分钟，效率不高限制了它在质检和生
产线上的应用；更重要的是，很多光源存在发光不稳定的现象，如LED光源的光通量会随着时间的增大而衰减，在较长的测量时间中，光源的发光本身会发生变化给光谱辐射功率测量的带来误差。

(2)线性动态范围
用光谱辐射计测量被测光源在某一波长上的辐射强度为
其中，P s(λ)和i s(λ)分别为标准灯在该波长上的辐射强度和光谱辐射计的响应光电流，i t(λ)为光谱辐射计测得的被测光源在该波长上的光电流。

图2：光谱辐射计的线性与测量精度关系示意图
由于被测光源往往在绝对光谱功率和相对光谱功率分布上都存在很大差异，如图1中的准单色LED光源和标准A光源，若光谱辐射计的光敏器件的线性不好会带来很大的测量误差。

如图2，光敏器件呈现明显的非线性现象，光电流为i t(λ)时，被测光源的辐射强度示值P t(λ)显然与实际的辐射强度P t(λ)rel存在较大偏差。

在单色仪光谱辐射计中经常使用光电倍增管(PMT)作为感光器件，而PMT一般是在
3个数量级内2%的线性水平；而高精度快速光谱辐射计，如远方HAAS-2000中所使用的科学级CCD可以在三个数量级内达到1%的水平，经过校准可以达到更高的水平，高于PMT
的线性动态范围水平。

虽然高精度快速光谱仪中采用的科学级背射式CCD已经比普通CCD和PMT的线性要好，但与具有大跨度动态范围内线性极好的硅光电池相比（好的硅光电池在8个数量级范围内线性<0.2%），动态范围小很多。

为解决这一问题，HAAS-2000高精度快速光谱辐射计中采用了分光-积分相结合的测量方法。

设置参考探头，被测光源的相对光谱功率分布
P(l)t与光度探头的光度测量结果相结合求得光谱解析校正系数K：
上式中s(l)rel为参考探头的相对光谱灵敏度，P(l)S为用于校准参考探头的标准光源的已知相对光谱功率分布。

将参考探头的测量结果乘以K，即可得到精确的光通量测量结果。

使用分光-积分相结合的方法，充分发挥了两种测量方式的优点：1.测量的动态范围大，线性好；2.测量的结果精确，在不要求光谱辐射计线性极好和参考探头V(l)精确匹配的情况下，可实现大跨度线性范围内光度量的精确测量。

(3)杂散光控制
杭州远方的HAAS-2000高精度快速光谱辐射计突破性地采用了带通色轮校正技术，把杂散光控制到了与单色仪光谱仪相当的10-4的水平，进一步提高了光谱功率分布的定标和测量精度。

4.HAAS-2000高精度快速光谱辐射计的主要技术指标
根据以上分析，杭州远方光电的HAAS-2000高精度快速光谱辐射计由于测量速度快，精
度高，线性动态范围宽，是实现光源光通量以及色度测量的理想仪器，其主要技术指标与其他国际同类先进仪器的比较如下：
[2]CIE.1989.Publication No.84Measurement of luminous flux.
[3]IEC60969Ed.2:Self Ballasted Lamp for General Lighting–Performance Requirement。