可見波段LED光譜標(biāo)準(zhǔn)燈的研制

劉 慧，魏 嵐，趙偉強(qiáng)，閆勁云，吳薛平，姜 琳，蘇 穎

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.廈門信達(dá)光電物聯(lián)科技研究院有限公司，福建 廈門 361003)

引言

用于光輻射量值保存和傳遞的標(biāo)準(zhǔn)燈是光輻射測(cè)量中的重要標(biāo)準(zhǔn)器，性能優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)燈是保證光輻射量值一致統(tǒng)一的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來由于缺少在可見波段的藍(lán)端光譜功率足夠大的標(biāo)準(zhǔn)光源[1]，使得380～450 nm 波段的測(cè)量不確定度明顯高于其他波段，不能滿足電光源、生物、材料、航空領(lǐng)域和科學(xué)研究等對(duì)高精度測(cè)量的需求。

LED光源的光譜具有可調(diào)制的特點(diǎn)，可以通過一定的方法增強(qiáng)藍(lán)端的光譜功率，這為新型標(biāo)準(zhǔn)燈的研制提供了一條新的技術(shù)途徑。然而市場(chǎng)上出售的普通白色LED 的光譜不能完全覆蓋380～780 nm,在420～720 nm波段以外能量很低[2]，僅適用于光度量值的傳遞。因此，為提升白色LED 在420～720 nm波段以外的能量，本研究采用6種不同峰值的LED，并配備專用的熒光粉，將白光LED 的光譜拓展至整個(gè)可見光范圍，尤其是提高了藍(lán)端的光譜功率。這種寬波段的白色LED 代替白熾燈進(jìn)行光譜總輻射通量、輻射照度、輻射亮度的量值傳遞，或作為參考光源用于探測(cè)器相對(duì)光譜靈敏度的標(biāo)定,在藍(lán)端能有效地降低測(cè)量結(jié)果的不確定度。

1 標(biāo)準(zhǔn)燈現(xiàn)狀

光輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器伴隨著人工照明光源的發(fā)展而發(fā)展。1860年人類歷史上最早的光輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器“蠟燭”誕生了，特制的蠟燭在一定的條件下點(diǎn)燃，規(guī)定火焰水平方向的發(fā)光強(qiáng)度為1 cd。之后使用液體染料的“卡索爾燈”和“赫夫納燈”出現(xiàn)了，1909年美、英、法三國(guó)協(xié)議用一組45支碳絲白熾燈來保存發(fā)光強(qiáng)度的單位，從那時(shí)起白熾燈便成為光輻射測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)器，由于其良好的量值再現(xiàn)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，一直沿用至今。白熾標(biāo)準(zhǔn)燈的制作工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，從商業(yè)渠道獲得科學(xué)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)燈變得越來越困難[3]。

研制新的適合光輻射度量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)燈是國(guó)際光輻射計(jì)量的一個(gè)熱點(diǎn)，許多國(guó)家計(jì)量院都投入了巨大的人力和物力開展此領(lǐng)域的研究工作。國(guó)際計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)化組織正在致力于建立基于LED的光度量值傳遞體系及采用LED作為發(fā)光體的標(biāo)準(zhǔn)器的研制[4]。“新的用于光度、色度、輻射度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)光源”(new calibration sources and illuminants for photometry,colorimetry,and radiometry)被國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)列入十大戰(zhàn)略規(guī)劃，光度輻射度咨詢委員會(huì)(CCPR)成立了專門的工作組探索使用白光LED作為光度測(cè)量的傳遞標(biāo)準(zhǔn)的可行性[5，6]。韓國(guó)開發(fā)了具有高色溫和低色溫的基于LED芯片的總光通量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)燈，并可根據(jù)客戶要求定制。日本計(jì)量院(NMIJ)與日亞公司(NICHIA)合作研制了寬波段LED 標(biāo)準(zhǔn)光源，用于LED平均光強(qiáng)、總光通量、輻射通量和光譜輻射通量的量值傳遞，如圖1所示[2]。

圖1 NMIJ研制的覆蓋整個(gè)可見波段的白光LED 的光譜圖Fig.1 Spectrum of white LED with expended wavelength developed by NMIJ

2 光譜拓展方法

我們采用數(shù)字模擬的方法，對(duì)于一組不同波長(zhǎng)的LED芯片，其在某一輸入控制電流d時(shí)的混合光譜功率分布(SPD)Sm(λ,d)可表示為

(1)

式中λ表示波長(zhǎng)，這里取值范圍為380～780 nm，d為輸入控制電流，n為本研究所使用的不同峰值波長(zhǎng)的LED芯片的數(shù)量，Si(λ,di)代表第i個(gè)LED芯片在其輸入控制電流為di時(shí)的SPD[7]。考慮到LED芯片的光譜特性往往隨其輸入控制電流發(fā)生變化，各LED芯片在任意有效控制電流時(shí)的SPD通過預(yù)先測(cè)得的其一系列控制電流時(shí)的SPD插值獲得。

因此，通過調(diào)整各LED芯片的輸入控制電流d可混合出目標(biāo)SPD。這里的目標(biāo)SPD為CIE標(biāo)準(zhǔn)光源E(等能光源)[8]，則這一調(diào)整過程可轉(zhuǎn)化為求解式(2)的最小值問題：

(2)

其中

(3)

式中，dopt代表所要尋求的各LED芯片的輸入控制電流，f1(d)代表光譜匹配精度評(píng)價(jià)指標(biāo)(p)[9]。

本研究最終采用一組由6種窄帶LED和特制熒光粉方案，白光LED的光譜拓展至整個(gè)可見光波段，光譜如圖2 所示。所研制的寬光譜LED為板上芯片(COB)封裝，每個(gè)COB 由48顆LED芯片串并聯(lián)構(gòu)成，設(shè)置電壓為37 V,電流為200 mA，當(dāng)采用220.00 V的交流供電時(shí)，電流為59.02 mA，光通量為250 lm，光功率為1 013 W。

圖2 兩種寬光譜 LED 的相對(duì)光譜功率分布Fig.2 Relative spectral power distribution of two wide spectrum LED lamps

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于所研制的LED燈，我們進(jìn)行了短期穩(wěn)定性考核，測(cè)試時(shí)將COB LED封裝固定在一個(gè)半導(dǎo)體制冷的夾具上，設(shè)定溫度為25 ℃。隨機(jī)選取一只燈點(diǎn)燃，預(yù)熱5 min后進(jìn)行測(cè)量，關(guān)斷后冷卻30 min，再重新進(jìn)行測(cè)量，共進(jìn)行7次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。我們還在間隔3個(gè)月后重復(fù)測(cè)量了所研制的4 只樣燈，以考察其長(zhǎng)期穩(wěn)定性，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表1 寬光譜LED點(diǎn)燃重復(fù)性Table 1 Repeatability of wide spectrum LED

表2 寬光譜LED三個(gè)月間的點(diǎn)燃重復(fù)性Table 2 Repeatability of wide spectrum LED at three months

從表1和表2可見，寬光譜LED燈具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，間隔3個(gè)月光通量的變化小于0.3%，色溫的最大變化為3 K，與白熾標(biāo)準(zhǔn)燈相當(dāng)。

為了驗(yàn)證寬光譜LED 燈作為光譜總輻射通量燈的量值傳遞能力，我們用配CAS140-CT 光譜輻射計(jì)的球形光譜輻射計(jì)測(cè)量紅、綠、藍(lán)、白光LED的光通量和顏色參數(shù)并同白熾燈作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如表3所示。

表3 寬光譜LED標(biāo)準(zhǔn)與白熾標(biāo)準(zhǔn)的比較Table 3 Comparison of wide spectrum LED and incandescent standard

從表3可見，使用寬光譜LED與白熾燈作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的光通量的偏差最大僅為1.1%，色品坐標(biāo)的偏差最大僅為0.000 2，從而驗(yàn)證了寬光譜LED 的適用性。

4 結(jié)論

可見光波段LED光譜標(biāo)準(zhǔn)燈有效地解決了白熾標(biāo)準(zhǔn)燈藍(lán)端信號(hào)低的問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，它可用于總光通量、顏色參數(shù)量值的傳遞,是白熾標(biāo)準(zhǔn)燈和普通白光LED標(biāo)準(zhǔn)燈的有益補(bǔ)充，也是研制基于LED的光度、輻射度標(biāo)準(zhǔn)燈的新途徑。這將對(duì)建立基于LED的光度、輻射度的量值傳遞體系，解決標(biāo)準(zhǔn)白熾燈短波光譜功率低的問題,提升LED光度測(cè)量技術(shù)對(duì)相關(guān)行業(yè)的計(jì)量支撐能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。