光纖光譜儀測量發光二極管色度實驗研究

錢惠國，郭 海，曹利利，駱 軍

（1.浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004；2.浙江師范大學 信息光學研究所，浙江 金華 321004）

發光二極管（LED）具有體積小、功耗小、使用壽命長等優點，已在指示、照明、裝飾及顏色分析等各個領域得到了廣泛的應用[1－3]。隨著LED生產技術的提高，目前市場上已出現了紅、綠、藍、白等各種顏色的LED產品。為了進一步促進LED生產質量的提高和應用的推廣，對LED色度的定量測量研究顯得越來越為重要和迫切[4－6]。

LED色度的測量主要有光電積分法[7－8]和分光光譜測量法[9－11]。光電積分法利用具有特定光譜靈敏度積分元件，直接測量出LED顏色的三刺激值或色度坐標。雖然光電積分法具有快速、便捷的優點，但相比之下，分光光譜測量方法具有更高的測量精度，因此在色度研究中常使用分光光譜測量法。在分光光譜法測量色度系統中，光譜儀是重要的組成部分。目前，測量系統中常用的光譜儀有棱鏡光譜儀、光柵光譜儀等，具有光譜分辨率高的優點。近幾年出現了光纖光譜儀，具有體積小、測量速度快等優點，用其進行物體色度測量將是研究的趨勢和熱點。本文搭建了光纖光譜儀色度測量系統，并用該系統對LED的色度進行了測量和研究。

1 色度測量原理

在CIE 1931標準色度學系統中，對于某一顏色可以用三刺激值（X，Y，Z）或色度坐標（x，y，z）來表示。如果測得某發光物體的光譜功率分布為φ（λ），則其三刺激值和色度坐標可以通過下式計算[12]：

對于實際計算，（1）式中的積分用求和代替，其表達式為：

利用式（2）和式（3），通過 Matlab編程計算，可方便地得到物體顏色的色度坐標。

2 實驗裝置

用光纖光譜儀測量發光二極管色度的實驗裝置示意圖如圖1所示。穩壓電源經可調電阻R和電鍵后與LED連接，調節電阻R使LED正常工作。光纖光譜儀的光纖探頭對準LED，收集光譜信號。光纖光譜儀與計算機連接，測得的光源光譜功率由計算機進行數據處理，并計算得到色度坐標。標準光源用于光纖光譜儀的波長校正和強度校正。

圖1 光纖光譜儀測量LED色度實驗裝置示意圖

3 實驗步驟

（1）用汞燈對光纖光譜儀進行波長校正，然后用光纖光譜儀測出標準鹵素燈的光譜功率分布，標準鹵素燈的理論光譜功率分布與測得的光譜功率分布的比值是光纖光譜儀的強度校正系數。

（2）點亮LED，并調節可調電阻R使LED正常工作，用光纖光譜儀測出LED的光譜功率分布，測得的LED光譜功率分布乘以強度校正系數k就是LED的實際光譜功率分布。

（3）對LED的光譜功率分布進行波長轉換，使其波長范圍為380～780nm，波長間隔為1nm。

（4）根據色度學原理，計算LED的色度坐標。

4 實驗結果及分析

標準鹵素燈的理論光譜功率分布如圖2所示，光纖光譜儀測得的標準鹵素燈的光譜功率分布如圖3所示。圖4為光纖光譜儀的強度校正系數曲線，圖5為光纖光譜儀測得的、經強度校正后的白色LED的光譜功率分布，圖6是強度校正后的紅、綠、藍色LED的光譜功率分布。

圖2 標準鹵素燈的理論光譜功率分布

圖3 標準鹵素燈的實測光譜功率分布

圖4 光纖光譜儀的強度校正曲線

圖5 白色LED的光譜功率分布曲線

圖6 紅、綠、藍色LED的光譜功率分布曲線

表1給出了正常工作時（驅動電流為20mA），紅、綠、藍和白色LED色度的實驗測量結果。結果表明，白色LED的色度測量值與理論典型值相符合，且與色度學系統中等能E光源的色度（x＝0.33，y＝0.33）十分接近，紅、綠、藍色LED的顏色具有很好的色飽和度。圖7顯示了紅、綠、藍、白色LED色度在CIE色度圖中的位置。

表1 紅、綠、藍、白色LED色度的測量結果

5 結束語

本文通過實驗，研究了用光纖光譜儀測量發光二極管色度的方法。該方法先用標準光源對光纖光譜儀進行波長和強度校正，然后結合積分球測出發光二極管的光譜功率分布，最后根據色度學原理計算出發光二極管的色度坐標。實驗表明，用光纖光譜儀測量發光二極管的色度特性方法簡單快捷、測量結果準確。若開發為綜合性教學實驗，能加深學生對色度測量方法的理解，并能有效地促進學生綜合實驗能力的提高。

圖7 LED顏色在CIE色度圖中的位置

（References）

[1] 章荷珍，陳大華.發光二極管發展和應用的探討[J].光源與照明，2010（4）：15－16.

[2] 徐曉波，王曉娟，郭彥杰，等.LED光源在薄透鏡焦距測定實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（9）：76－78.

[3] 劉平安，王希平.高亮度發光二極管用于牛頓環實驗研究[J].物理通報，2010（6）：43－45.

[4] 朱昊，郭宏，毛文煒，等.顏色原理系列實驗的開發[J].實驗室研究與探索.2004，23（10）：17－18，33.

[5] 李志敏，常宇，薛平，等.一種戶外全彩LED顯示屏亮度色度檢測新方法[J].激光雜志，2010，31（4）：63－65.

[6] 曾華陽，劉寶林，黃文達，等.發光二極管的色度分析[J].光電技術應用，2009，24（2）：40－43.

[7] 張建中.手持式智能色度色差儀的設計[J].自動化儀表，2010，31（2）：66－68，71.

[8] 蔣月娟.光電色度計校正濾色器的一種設計方法[J].光學技術.2000，26（1）：92－94.

[9] 劉蓬軍，王安祥，宋鵬，等.利用光柵光譜儀測量獲取物體表面的色度特性[J].現代電子技術，2009（23）：121－123，126.

[10] 黃耀清，王竑，郝成紅，等.用光學多道分析器測定物體色度的方法[J].上海應用技術學院學報：自然科學版，2009，9（4）：318－320.

[11] Yang Li，Egawa M，Akimoto M，et al.An Imaging Colorimeter for Noncontact Skin Color Measurement[J].Optical Review，2003，10（6）：554－561.

[12] 湯順清.色度學[M].北京：北京理工大學出版社，1990.