LED顏色測量

白熾LED的色品與色溫測量

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輻射顏色測量是光譜儀的一個重要應用。LED生產商利用顏色測量對LED進行分選（分選的標準：功能好差、顏色亮度標準等等），來保證產品的一致性和質量穩定性。屏幕顯示生產商使用輻射測量對屏幕的顯色進行校準，判定其是否在標準范圍。LED的輻射測量在園藝方面（1）也具有很大用處，因為LED也是植物研究和溫室光源的主要部分；另外在生物醫藥應用方面，比如與NASA合作的項目，使用LED激發細胞生長（2）。

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在這篇應用文章中，我們使用NIST校準過的兩款海洋光學光譜儀（STS和Flame）對比輻射測量同一個白熾LED。Flame作為新一代高熱穩定性、低臺間差的光譜儀，還配備可更換狹縫、簡單儀器連接件等等。

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我們通過采集速度、準確度和重復性三方面對STS和Flame光譜儀進行對比。

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顏色測量

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顏色定義其實相對比較主觀的，人眼對顏色的感知和獲取是再平常不過但卻是不可復制的。二十世紀，人類開發了很多方法對顏色進行定義?，F在經常使用的CIE XYZ 1931坐標系統，使用X和Z指認為色品，Y作為亮度（強度）。圖1.就展示了CIE 1931 X和Y顏色空間。

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CIE L*a*b*也是常見的定義方式，L*指認為亮度（強度 ），a*為紅/綠色品，b*為黃/藍色品。在這篇應用中，我們使用x和y，因為這兩個指標是NIST可追溯的用來定義LED，這兩個值是可以與CIE1931關聯的，比如，y 。

圖1.CIE1931 色品圖

另外，色溫（CCT）和主波長是對比校準LED的主要指標。通過x和y的值判定不同的LED，并以此作為LED的特征輸出。更為重要的是，因為CCT定義了光顏色的表現性，所以對于照明應用非常重要。

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當測量LED的顏色時，定義對于同一種顏色的LED,? 測量結果在xy色坐標中的可接受度是非常必要的。20世紀中葉， David MacAdam開發了一種對不同種顏色進行分類的方法，他定義了一個在xy坐標內一般人肉眼不能分辨色彩的橢圓餅圖。通過該色品圖可以衍生定義LED在CIE 1931顏色坐標系里的分布，并以此將LED進行分選。MacAdam 色品圖內 xy坐標系的標準差就可以認定為可被感知的色差。

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ANSI（美國國家標準組織）C78-377A 號文件使用四步MacAdam橢圓定義的方法作為CFL（小型熒光燈）和鹵素燈制造的標準。每一步代表了一片面積，該面積區域里的任何一個點都是離中心點一個標準差。

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在大多數的工業應用中，LED制造商（3）定義了七步MacAdam橢圓作為一個常用的用來定義可接受范圍的標準。如圖二所示，LED的分選也是基于MacAdam七步橢圓的方法。

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為了對同色LED進行分選，該圖經常被用來作為相近顏色色差計算的指導工具。雖然在這篇文章中只使用了一個LED進行測試，但是我們仍然能預測此次分選的結果與測量過程使用的不同步驟之間的差異。

圖二 .如何使用七步MacAdam 橢圓來定義LED在CIE 1931 色品圖中的分割區域（3）。

顏色測量步驟

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絕對輻射顏色測量可以通過以下幾步完成:

1. 確定實驗設置
2. 用校準光源對于實驗設置進行絕對輻射校準
3. LED的顏色測量

在測量過程中，使用積分球（FOIS-1）加一根400μm 光纖連接到光譜儀上，整個配置使用校準鹵素光源（HL-3P-INT -CAL）來進行絕對輻射校準。

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結果：測量速度

如圖3所示，是使用STS 和 flame 兩種不同型號的光譜儀測量同一個NIST校準過白色LED光源的光譜，每一個光譜儀都先進行了絕對輻照度的校準。光譜儀都配置100 um 的狹縫，并且所有測試都進行50次平均值并平滑5次。為了達到同樣信噪比，兩臺光譜儀的積分時間有所不同，Flame是20ms, STS 是300 ms.

圖3：Flame 和 STS 光譜儀測試出的白色LED光譜。優化光譜儀的積分時間來獲得類似的信號長度。結果證明Flame擁有更好的輸出性能，意味著測量時間更短。

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更低的積分時間顯示了Flame在靈敏度上優于STS，Flame能在20ms之內完成測試而STS需要300ms。所以Flame可以運用于需要快速測量的應用中，例如生產測試和質量監控。海洋光學還提供高通光量、低雜散光的Torus 和 Maya LsL 光譜儀，實現更快的測量。

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盡管Flame 已經是一個小型的儀器，STS仍然有著體積小的優勢。如果光譜儀需要集成到其他設備里，STS的小體積—只有40 mm x 42 mm x 24 mm—可以成為某些應用領域更好的選擇。小體積，使得手持式儀器幾乎能在所有領域廣泛應用，包括研發實驗室、過程環境監控、測試和監控以及一些農業方面的應用。

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結果：絕對準確度

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現在我們了解到Flame能取得和STS一樣的信噪比但是只需要STS一部分的積分時間， 了解這樣的情況會不會影響結果的一致性也很重要。這樣的快速測量能在不犧牲精準度和重復性的前提下進行么？

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為了測試該性能，我們選擇四組樣品每組20個進行80次測量，每一次測量的暗背景參考系數都被重新設定。這樣的方式能夠讓數據包含系統的變化以及因為暗背景變化所導致的測量可重復性的變化。同時記錄CCT, 主要波長和x,y數值，并且用x,y值所作的圖也用來展示測量中的變化過程（圖4）。圖4展示了每臺光譜儀采集的x,y值的分布以及NIST LED校準過的值。

圖4：白色LED xy值。每臺光譜儀進行的多次測量結果在圖中顯示，并和NIST 校準值進行對比。 可以看出 Flame 的測量值更靠近NIST值， 由此得出Flame比STS在該應用上有更好的精準度。

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• 的結果更接近于NIST真實校準值。表一展示了每一臺光譜儀測量得到的平均值和NIST校準值之間的對比，Flame 的平均值更接近于校準值。

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表一：Flame和STS顏色測量精準度于NIST標準值的比較

盡管每一種光譜儀測試結果都被很好地進行了分類，但是測量值和NIST值之間還是有明顯的差異。該絕對但是重復的差別可能主要是源于在使用對輻射度校準過的光源對光譜儀校準后，Falme 和STS的測量系統與得到NIST值的差距。

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然而，既然這種誤差一直重復存在，那我們就可以通過修正的方法可以將這種誤差移除。事實上，這是在校準過程中使用NIST校準過的LED和電源原因，所以使用者能夠通過這種方法對系統和系統之間變化以及光源校準中產生的不一致進行糾正。這也是為什么系統的重復性可能是衡量系統表現的重要標準，我們在稍后會繼續討論。

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當使用之前描述過的LED分選法作為判斷可接受結果散布的標準方法時，我們發現測量結果的精準度變化范圍很小。STS和Flame都給出了在七步MacAdam橢圓（表2）內的結果。盡管STS和Flame的結果不能給出與NIST得出結果時使用的儀器和校準的差別，他們仍然證明了海洋光學的光譜儀在LED色彩分選方面擁有非常高的精確度。

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表二計算了Flame和STS測量結果之間的差別以及與NIST標準值之間的差異。這些差異除以MacAdam橢圓表征的面積就可以得到Flame和STS光譜儀測量結果所在的MacAdams步數。

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表二：Flame和STS顏色測量精確度

表二中值的計算是使用一個位于NIST校準值中心的值來估算MacAdam橢圓。橢圓的參數：a =0.0024，b=0.0005，a是橢圓的長軸的一半長度，b 是橢圓短軸的一半長度。Flame和STS測量結果點到中間點距離除以MacAdam橢圓的參數得到MacAdam步數。如表所示，Flame的結果在四個MacAdam橢圓步數內，而STS的測量結果在六個MacAdam橢圓步數內。

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圖5展示了我們的測試結果基本上覆蓋了七個步數的切割區域，該結果還沒有對校準中的誤差進行糾正，所以我們能預計在糾正后結果會更加好。

圖5：白色LED的分選區域在xy圖上的分布。使用的LED是一個白色冷LED光源并且覆蓋了最高色溫的對應區域。左圖的斜率曲線源于LED制造廠商Gree,Inc(4)。

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結果：重復性

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正如我們所看到的，我們能夠通過Flame和STS得出很好地絕對精準度，那么測量的重復性怎么樣呢？

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兩臺儀器的重復性差異通過肉眼就能分辨出。如圖5所示，光譜儀測量結果分散性較小，說明了比較好的重復性，圖6展示了Flame測量結果的非常接近。

圖6：Flame測量結果在xy坐標系內的離散分布

另外，下表內的數據顯示了每臺光譜儀測量的標準差，它體現了每個變量的變化。

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這些數據都可以看出Flame的測量偏差低于STS，所以Flame光譜儀有更好的重復性。

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這種離散結果也可以通過使用MacAdam橢圓進行定義。每一個光譜儀的結果都在一個單步數MacAdam橢圓區域里。這個結果證明了一旦對光譜系統的設置和歸零誤差進行校準，每一臺光譜儀都擁有區別高于人類極限的色差的能力。

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表三所示，每一組測量值的測量偏差，再用該偏差除以這一區域預估的MacAdam 橢圓，得到每臺光譜儀的MacAdam步幅。

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表三： Flame和STS測量輻射顏色的重復性

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總結：Flame和STS光譜儀如何比較

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在使用Flame和STS光譜儀測量LED輻射顏色的對比中，我們發現Flame光譜儀有更好的靈敏度和快速測量優勢。Flame只需要STS一小部分的積分時間就能達到和STS一樣的信噪比，這在以快速測量為主的應用中是一個很大的優勢。另外，Torus 和Maya LSL是快速測量應用中，高通光量的光譜儀選擇。

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另外，STS和Flame的測量結果在與LED的NIST校準值的比較中擁有很高的絕對精確度。使用海洋光學現有儀器得出的絕對輻射顏色結果在七步數MacAdam橢圓區域之中。MacAdam橢圓也是許多LED制造廠商用來定義單個LED色彩分選的依據。（該結果還是沒有對STS和Flame光譜儀與NIST設置差異進行糾正過的。）

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每一臺光譜儀都證明了它的重復性，每一次測量結果都在一個MacAdam 橢圓之內。 Flame的測量結果有更低的標準差，其中色溫標準差是STS的10%。重復性是一個重要的參考標準，因為絕大多數的絕對誤差可以作為系統誤差在計算時進行校準。重復性意味著使用者每次使用相同的儀器都會得到相似的結果，這證明了光譜技術在分辨LED微小色差上擁有超越人類極限的能力。

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不同的應用領域可以選配不同類型的光譜儀(表四)。Flame光譜儀在適用性大小和強大的表現能力上脫穎而出，STS可能在精確度和重復性方面不如Flame，但是仍然在小巧和高性價比表現能力上勝出。

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表四：Flame和STS光譜儀的主要衡量標準對比

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因為顏色沒有絕對值，所以它不是一個容易被量化的概念。光譜技術的使能用讓用戶更客觀地定義顏色，海洋光學的光譜儀，光源，配件以及軟件能對絕對輻射顏色進行精確的測量。

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References

1.????? Light Environmental Management for Artificial Protected Horticulture (Review Article). Liu, Wenke. Beijing, China: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2012, Agrotechnology.

2.????? The NASA Light-Emitting Diode Medical Program – Progress in Space Flight and Terrestrial Applications. Whelen, H. T., Houle, J. M., Whelen, N. T., Donohoe, D. L., Cwiklinsky, J., Schmidt, M. H., Gould, L., Larson, D. L., Meyer, G. A., Cevenini, V., Stinson, H. s.l.: American Institute of Physics, 2000, Space Technology and Applications International Forum.

3.????? American National Standard for Electric Lamps – Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting (SSL) Products. ANSI (American National Standards Institute) C78.377-2011 . May 2012, http://webstore.ansi.org/RecordDetail.aspx?sku=ANSI+ANSLG+C78.377-2011

4.????? Cree, Inc. Technical Article. LED Color Mixing: Basics and Background. 2010.