摘 要 由于LED 的快速發(fā)展，LED 的特性測量問題日益受到國際社會的關注。與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源相比，發(fā)光二極管（LED）具有壽命長、光效高、功耗低及便于維修等優(yōu)點，因此，對LED 性能參數(shù)的測試就顯得越加重要。目前，測量LED 最簡單的方法就是使用荷蘭Avantes 公司的微小型光纖光譜儀進行測量，本文以荷蘭Avantes 公司的微型光纖光譜儀AvaSpec-2048 為例，介紹微型光譜儀在LED 測量方面的應用。
1. 引言
測試LED 各類光譜參數(shù)基本上有三種方法，一是用單色儀分光后進行測量。二是把測量光用若干塊不同波長的帶通濾光片過濾后到達光探測器，光探測器一般用光電倍增管和硅光電二極管。三是把測量光經(jīng)衍射光柵分光后到達線陣CCD 電荷耦合器件。前一種方法計量部門運用較多，但測量時間較長。后面面兩種方法主要用于便攜式光譜測試儀對LED 進行多參數(shù)一次性快速測量，用同一結(jié)構(gòu)配置的硬件測量多個參數(shù)，測量精度高。利用荷蘭Avantes的光纖光譜儀可以監(jiān)測LED測量中的光強度（單位為μWatt/cm2/nm）、輻射量（μWatt/cm2, μJoule/cm2，μWatt 或μJoule）、光度量（Lux 或 Lumen）、色坐標X, Y, Z, x, y,z, u, v 和色溫等十多個參數(shù)，例如：主波長、純度、中心波長、峰值波長，質(zhì)心等。
2.光譜儀部分
2.1 儀器原理
荷蘭Avantes 公司的AvaSpec-2048 系列光纖光譜儀，采用對稱式光路設計，入射焦距和色散焦距都是75mm；包括光纖接頭（標準SMA 接口，也可以選擇其它類型的接口）、準直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554B型2048 像素線陣CCD 探測器，波長范圍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 數(shù)字/模擬接口。
圖 1 光學平臺
圖2 AvaSpec-2048 系列光纖光譜儀
2.2 功能及特點
2.2.1 外觸發(fā)功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀能夠在接受外觸發(fā)信號之后僅延遲1.3 μs 就開始采樣；該光譜儀還可以發(fā)出一個TTL 信號來觸發(fā)脈沖激光器，而且在AvaSoft 軟件中可以設置采樣開始時間與該激光脈沖之間的延遲（-42ns 至2.7 ms，步長42 ns），-42 ns 的負延遲采樣時間的特性對測量脈沖激光器非常有用。
AvaSpec-2048FT 的這些特點使其適用于需要快速響應和需要與外觸發(fā)信號精確同步的應用領域（它的時間抖動只有± 21 ns），例如傳送帶上的產(chǎn)品檢測等。而輸出TTL 信號的特性則可使其用于激光誘導擊穿光譜（LIBS）測量或熒光測量，這些應用都要求激光脈沖發(fā)射一段時間之后開始采樣。
圖 3 外觸發(fā)時序圖
2.2.2 歷史通道功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以同時監(jiān)測最多8 個輸出參數(shù)隨時間的變化，如用戶定義的函數(shù)、積分、峰值（波長，相對強度）等。函數(shù)可以用Visual-Basic 代碼編寫。時序測量的結(jié)果可以被存儲、載入或者打印。縮放和全景顯示功能可以把時序測量結(jié)果中感興趣的部分快速放大至全圖顯示。
2.2.3 獨立測量功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以配置成進行獨立測量工作，而不必使用計算機。
USB2 平臺的AvaSpec-2048 光譜儀添加了藍牙（-BT）通信以及在板卡上存儲光譜的SDRAM 卡選項，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離測量和傳輸（大于300 米）以及長時間光譜數(shù)據(jù)存儲。
2.2.4 寬光譜范圍內(nèi)的高分辨率
對于等離子體測量和LIBS 測量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜范圍內(nèi)，具有較高的分辨率。
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀的最高分辨率可達0.04nm，而多通道光譜儀可以滿足在200-900nm 光譜范圍內(nèi)，分辨率優(yōu)于0.1nm，同時使用光纖束進行探測（一端為一個光纖接頭，用于探測信號;另一端為多個接頭，連接各個通道），操作既簡單，又可以保證探測位于同一位置的信號。
2.2.5 對稱式光路設計
對稱式光路的入射焦距和色散焦距比是嚴格的1:1 關系，在CCD 上成的是完美的直線象，并且由于不存在光路交叉，使得雜散光的影響被降低到最小。
2.2.6 多通道間數(shù)據(jù)同步采樣
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以配置成雙通道或多通道（USB1.1 平臺最多8 個，USB2.0 平臺最多128），采用主從電路板控制，各通道間實現(xiàn)真正意義上的同步數(shù)據(jù)采集。每個通道均包括一個獨立的光學平臺。
2.2.7 溫度穩(wěn)定性好，熱漂移小
AvaSpec-2048 光譜儀的光學元件和底板間采用無應力裝配，出廠前經(jīng)過特殊工序處理，因此環(huán)境溫度對光譜儀影響極小，環(huán)境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個像元；優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性確保了長時間測量的精確性和可重復性。
3.LED 測量實驗
3.1 LED 測量系統(tǒng)
根據(jù)測試LED 不同的光譜參數(shù)，需要搭建不同的配置。由于 LED 發(fā)光面獨有的外形尺寸，導致其發(fā)光很難均勻化，測量LED 總光通量最簡單最便捷的方法就是使用積分球和Avantes 公司的光譜儀。 積分球是測量光輻射的最簡單的器件。積分球的內(nèi)表面是完美的漫射體，具有非常均勻的空間反射性。輻射光在內(nèi)表面上經(jīng)過多次反射后變得十分均勻，導致在球壁上任何一點的光輻射度都相同。
圖 5 AvaSpec-2048 LED 測量系統(tǒng)典型配置
該系統(tǒng)可以用輻射定標光AvaLight-HAL-CAL-ISP進行標定。用AvaSoft-IRRAD 輻射測量軟件可以從測得的光譜分布計算出相關參數(shù)，進而可進行絕對輻射測量。同時還可以計算、顯示和存儲被測光的強度。系統(tǒng)裝置圖如下：
圖 6 AvaSpec-2048 LED 測量系統(tǒng)光通量測量典型配置
在利用功能強大AvaSoft－FULL 和輻射測量軟件進行LED 測量的過程中，我們可以實時的查看測量中的各種參數(shù)，并且還可以在歷史通道功能中設置您需要進行時間監(jiān)控的值。軟件的測量界面如下幾附圖所示：
圖7 AvaSpec-2048 LED 測量系統(tǒng)軟件測量界面
圖8 AvaSpec-2048 LED 測量過程控制界面
強大的過程控制軟件，可以隨時對LED 各項光譜參數(shù)進行在線過程監(jiān)測。
3.2 LED 測量實驗操作
進行完系統(tǒng)的搭建之后就可以進行LED 的標準測量，在實驗室中進行LED 的品質(zhì)和性能檢測時可以按照一下步驟進行：
1.系統(tǒng)搭建。打開AvaSoft 光譜儀測量軟件。
2.將LED 安裝在AvaSphere-LED-adapter 上置于積分球中。
3.點亮LED 點擊開始按鈕，選擇合適的積分時間和平均次數(shù)，然后關閉LED 保存暗背景。
4.在Setup 選項中選中扣除暗背景，并且正確設置該選項中的樣條和平滑參數(shù)。
5.點亮LED，點擊Application 選項中的絕對輻射測量選項開始測量設置，設置完成后點擊OK 鍵開始測量。如果您需要對某一個或幾個參數(shù)監(jiān)測其隨時間的變化，也可以在測量前進行設置測量，詳細的操作流程請您參閱軟件操作手冊，里面有十分詳細的操作介紹。
4.光譜儀在LED 工業(yè)中的應用
荷蘭Avantes 的光纖光譜儀在LED 的工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)有非常成熟的應用，現(xiàn)在已經(jīng)應用的領域有LED 分光，以及汽車儀表照明LED 的品質(zhì)檢測，LED 成品和半成品檢測等等。目前LED 工業(yè)中的典型應用有以下幾類：
· LED 芯片在線光譜性能檢測
· LED 產(chǎn)品挑選、分級品質(zhì)檢測
· LED 生產(chǎn)廠家出貨檢驗
· LED 生產(chǎn)封裝前后的在線品質(zhì)控制
荷蘭 Avantes 光纖光譜儀的強大的模擬和數(shù)字I/O 接口（接口上有13 個可編程的I/O 端口，3 個數(shù)字輸入，10個數(shù)字輸出,還有2個模擬輸出口和2個模擬輸入口）、USB及RS232接口，使得光譜儀可以在有/無計算機環(huán)境下輕松使用。結(jié)合AS-5216-DLL 和IRRAD-DLL 動態(tài)鏈接庫，可以方便的與PLS 機及外圍設備進行通信，便于二次開發(fā)和集成, 大贏數(shù)控設備（深圳）有限公司已經(jīng)在LED 分光機中得到成功應用。
圖 9 深圳大贏LED 分光設備
圖 10 單色LED 測量
利用這一特性可以很方便的把光譜儀集成到在線的質(zhì)量控制、品質(zhì)挑選設備中，并且，利用過程控制軟件，對LED 各項參數(shù)進行在線監(jiān)測，而且還可以將編寫好的程序?qū)懭胗布蹇ㄖ泻笫构庾V儀獨立工作，
圖11 大功率白光LED 在線監(jiān)測
5.綜述
利用荷蘭 Avantes 光纖光譜儀進行LED 測量可以有下面幾點優(yōu)勢：
1.在線測量
使用USB2.0 技術，每秒鐘可進行上百次測量。產(chǎn)品自帶數(shù)字和模擬信號I/O 端口，可方便的給出報警、觸發(fā)等信號，極大的方便了在線測量。
2. 便于集成到系統(tǒng)
提供功能強大的 DLL 驅(qū)動程序，使您完全操控儀器的動作，極大的方便了您進行二次開發(fā)。同時產(chǎn)品有極佳的同步功能，讓您隨心所欲的安排設備之間的時間響應次序。
3. 高靠性
產(chǎn)品所有元件均采用無應力裝配，有極高的可靠性，環(huán)境溫度對光譜儀影響極小，環(huán)境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個像元，完全適應工業(yè)測試環(huán)境。
4.測量速度快
AvaSpec-2048-USB2 可以實現(xiàn)每秒900 個光譜的超高速采樣速率，數(shù)據(jù)傳輸速度為1.8ms.
5. 小巧便攜
175×110×44mm，716 克，真正的便攜式設備。方便您到任何場地進行測量。
6.結(jié)論
用AvaSpec-LED 測量系統(tǒng)進行LED 的顏色、主波長、色溫等光度參數(shù)的測量、LED 品質(zhì)檢測等方面的應用具有功能強大、性價比高、測量精度高、測量速度快、操作簡單等特點，而且體積小巧，帶有模擬輸入輸出功能容易和其他系統(tǒng)進行通信集成，方便集成到系統(tǒng)中進行在線監(jiān)測。
