可見波段LED光譜標準燈的研制

劉 慧，魏 嵐，趙偉強，閆勁云，吳薛平，姜 琳，蘇 穎

(1.中國計量科學研究院，北京 100029；2.廈門信達光電物聯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準燈是光輻射測量中的重要標準器，性能優良的標準燈是保證光輻射量值一致統一的基礎。長期以來由于缺少在可見波段的藍端光譜功率足夠大的標準光源[1]，使得380～450 nm 波段的測量不確定度明顯高于其他波段，不能滿足電光源、生物、材料、航空領域和科學研究等對高精度測量的需求。

LED光源的光譜具有可調制的特點，可以通過一定的方法增強藍端的光譜功率，這為新型標準燈的研制提供了一條新的技術途徑。然而市場上出售的普通白色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 的光譜拓展至整個可見光范圍，尤其是提高了藍端的光譜功率。這種寬波段的白色LED 代替白熾燈進行光譜總輻射通量、輻射照度、輻射亮度的量值傳遞，或作為參考光源用于探測器相對光譜靈敏度的標定,在藍端能有效地降低測量結果的不確定度。

1 標準燈現狀

光輻射測量標準器伴隨著人工照明光源的發展而發展。1860年人類歷史上最早的光輻射測量標準器“蠟燭”誕生了，特制的蠟燭在一定的條件下點燃，規定火焰水平方向的發光強度為1 cd。之后使用液體染料的“卡索爾燈”和“赫夫納燈”出現了，1909年美、英、法三國協議用一組45支碳絲白熾燈來保存發光強度的單位，從那時起白熾燈便成為光輻射測量的標準器，由于其良好的量值再現性和長期穩定性，一直沿用至今。白熾標準燈的制作工藝復雜、價格昂貴，從商業渠道獲得科學級別的標準燈變得越來越困難[3]。

研制新的適合光輻射度量值傳遞的標準燈是國際光輻射計量的一個熱點，許多國家計量院都投入了巨大的人力和物力開展此領域的研究工作。國際計量和標準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作為發光體的標準器的研制[4]。“新的用于光度、色度、輻射度測量的標準光源”(new calibration sources and illuminants for photometry,colorimetry,and radiometry)被國際照明委員會(CIE)列入十大戰略規劃，光度輻射度咨詢委員會(CCPR)成立了專門的工作組探索使用白光LED作為光度測量的傳遞標準的可行性[5，6]。韓國開發了具有高色溫和低色溫的基于LED芯片的總光通量測量標準燈，并可根據客戶要求定制。日本計量院(NMIJ)與日亞公司(NICHIA)合作研制了寬波段LED 標準光源，用于LED平均光強、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

我們采用數字模擬的方法，對于一組不同波長的LED芯片，其在某一輸入控制電流d時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，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的LED芯片的數量，Si(λ,di)代表第i個LED芯片在其輸入控制電流為di時的SPD[7]。考慮到LED芯片的光譜特性往往隨其輸入控制電流發生變化，各LED芯片在任意有效控制電流時的SPD通過預先測得的其一系列控制電流時的SPD插值獲得。

因此，通過調整各LED芯片的輸入控制電流d可混合出目標SPD。這里的目標SPD為CIE標準光源E(等能光源)[8]，則這一調整過程可轉化為求解式(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價指標(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COB 由48顆LED芯片串并聯構成，設置電壓為37 V,電流為200 mA，當采用220.00 V的交流供電時，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 的相對光譜功率分布Fig.2 Relative spectral power distribution of two wide spectrum LED lamps

3 實驗結果

對于所研制的LED燈，我們進行了短期穩定性考核，測試時將COB LED封裝固定在一個半導體制冷的夾具上，設定溫度為25 ℃。隨機選取一只燈點燃，預熱5 min后進行測量，關斷后冷卻30 min，再重新進行測量，共進行7次測量，測量結果如表1所示。我們還在間隔3個月后重復測量了所研制的4 只樣燈，以考察其長期穩定性，測量結果如表2所示。

表1 寬光譜LED點燃重復性Table 1 Repeatability of wide spectrum LED

表2 寬光譜LED三個月間的點燃重復性Table 2 Repeatability of wide spectrum LED at three months

從表1和表2可見，寬光譜LED燈具有良好的重復性和穩定性，間隔3個月光通量的變化小于0.3%，色溫的最大變化為3 K，與白熾標準燈相當。

為了驗證寬光譜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 光譜輻射計的球形光譜輻射計測量紅、綠、藍、白光LED的光通量和顏色參數并同白熾燈作為傳遞標準的測量結果進行比對，如表3所示。

表3 寬光譜LED標準與白熾標準的比較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準的光通量的偏差最大僅為1.1%，色品坐標的偏差最大僅為0.000 2，從而驗證了寬光譜LED 的適用性。

4 結論

可見光波段LED光譜標準燈有效地解決了白熾標準燈藍端信號低的問題。經實驗驗證，它可用于總光通量、顏色參數量值的傳遞,是白熾標準燈和普通白光LED標準燈的有益補充，也是研制基于LED的光度、輻射度標準燈的新途徑。這將對建立基于LED的光度、輻射度的量值傳遞體系，解決標準白熾燈短波光譜功率低的問題,提升LED光度測量技術對相關行業的計量支撐能力，具有廣闊的應用前景。