海洋光学亚洲 市场部08 十二月 2022
- 光源&照明
- 颜色
辐射颜色测量是光谱仪的一个重要应用。
白炽LED的色品与色温测量
LED生产商利用颜色测量对LED进行分选（分选的标准：功能好差、颜色亮度标准等等），来保证产品的一致性和质量稳定性。屏幕显示生产商使用辐射测量对屏幕的显色进行校准，判定其是否在标准范围。LED的辐射测量在园艺方面（1）也具有很大用处，因为LED也是植物研究和温室光源的主要部分；另外在生物医药应用方面，比如与NASA合作的项目，使用LED激发细胞生长（2）。
在这篇应用文章中，我们使用NIST校准过的两款海洋光学光谱仪（STS和Flame）对比辐射测量同一个白炽LED。Flame作为新一代高热稳定性、低台间差的光谱仪，还配备可更换狭缝、简单仪器连接件等等。
我们通过采集速度、准确度和重复性三方面对STS和Flame光谱仪进行对比。
颜色测量
颜色定义其实相对比较主观的，人眼对颜色的感知和获取是再平常不过但却是不可复制的。二十世纪，人类开发了很多方法对颜色进行定义。现在经常使用的CIE XYZ 1931坐标系统，使用X和Z指认为色品，Y作为亮度（强度）。图1就展示了CIE 1931 X和Y颜色空间。
CIE L*a*b*也是常见的定义方式，L*指认为亮度（强度），a*为红/绿色品，b*为黄/蓝色品。在这篇应用中，我们使用x和y，因为这两个指标是NIST可追溯的用来定义LED，这两个值是可以与CIE1931关联的，
比如：
图1. CIE1931 色品图
另外，色温（CCT）和主波长是对比校准LED的主要指标。通过x和y的值判定不同的LED，并以此作为LED的特征输出。更为重要的是，因为CCT定义了光颜色的表现性，所以对于照明应用非常重要。
当测量LED的颜色时，定义对于同一种颜色的LED，测量结果在xy色坐标中的可接受度是非常必要的。20世纪中叶，David MacAdam开发了一种对不同种颜色进行分类的方法，他定义了一个在xy坐标内一般人肉眼不能分辨色彩的椭圆饼图。通过该色品图可以衍生定义LED在CIE 1931颜色坐标系里的分布，并以此将LED进行分选。MacAdam色品图内xy坐标系的标准差就可以认定为可被感知的色差。
ANSI（美国国家标准组织）C78-377A号文件使用四步MacAdam椭圆定义的方法作为CFL（小型荧光灯）和卤素灯制造的标准。每一步代表了一片面积，该面积区域里的任何一个点都是离中心点一个标准差。
在大多数的工业应用中，LED制造商（3）定义了七步MacAdam椭圆作为一个常用的用来定义可接受范围的标准。如图二所示，LED的分选也是基于MacAdam七步椭圆的方法。
为了对同色LED进行分选，该图经常被用来作为相近颜色色差计算的指导工具。虽然在这篇文章中只使用了一个LED进行测试，但是我们仍然能预测此次分选的结果与测量过程使用的不同步骤之间的差异。
图2. 如何使用七步MacAdam椭圆来定义LED在CIE 1931色品图中的分割区域（3）。
颜色测量步骤
绝对辐射颜色测量可以通过以下几步完成：
- 确定实验设置
- 用校准光源对于实验设置进行绝对辐射校准
- LED的颜色测量
在测量过程中，使用积分球（FOIS-1）加一根400µm 光纤连接到光谱仪上，整个配置使用校准卤素光源（HL-3P-INT-CAL）来进行绝对辐射校准。
结果：测量速度
如图3所示，是使用STS和Flame两种不同型号的光谱仪测量同一个NIST校准过白色LED光源的光谱，每一个光谱仪都先进行了绝对辐照度的校准。光谱仪都配置100 um 的狭缝，并且所有测试都进行50次平均值并平滑5次。为了达到同样信噪比，两台光谱仪的积分时间有所不同，Flame是20ms，STS是300ms。
图3. Flame和STS光谱仪测试出的白色LED光谱。优化光谱仪的积分时间来获得类似的信号长度。结果证明Flame拥有更好的输出性能，意味着测量时间更短。
更低的积分时间显示了Flame在灵敏度上优于STS，Flame能在20ms之内完成测试而STS需要300ms。所以Flame可以运用于需要快速测量的应用中，例如生产测试和质量监控。海洋光学还提供高通光量、低杂散光的Torus 和 Maya LsL光谱仪，实现更快的测量。
尽管Flame已经是一个小型的仪器，STS仍然有着体积小的优势。如果光谱仪需要集成到其他设备里，STS的小体积—只有40 mm x 42 mm x 24 mm—可以成为某些应用领域更好的选择。小体积，使得手持式仪器几乎能在所有领域广泛应用，包括研发实验室、过程环境监控、测试和监控以及一些农业方面的应用。
结果：绝对准确度
现在我们了解到Flame能取得和STS一样的信噪比但是只需要STS一部分的积分时间， 了解这样的情况会不会影响结果的一致性也很重要。这样的快速测量能在不牺牲精准度和重复性的前提下进行么？
为了测试该性能，我们选择四组样品每组20个进行80次测量，每一次测量的暗背景参考系数都被重新设定。这样的方式能够让数据包含系统的变化以及因为暗背景变化所导致的测量可重复性的变化。同时记录CCT，主要波长和x，y数值，并且用x，y值所作的图也用来展示测量中的变化过程（图4）。图4展示了每台光谱仪采集的x，y值的分布以及NIST LED校准过的值。
图4. 白色LED xy值。每台光谱仪进行的多次测量结果在图中显示，并和NIST校准值进行对比。 可以看出Flame 的测量值更靠近NIST值， 由此得出Flame比STS在该应用上有更好的精准度。
Flame的结果更接近于NIST真实校准值。表一展示了每一台光谱仪测量得到的平均值和NIST校准值之间的对比，Flame的平均值更接近于校准值。
| x | % error | y | % error | Dominant λ (nm) | % error | CCT (K) | % error | |
| NIST values | 0.2850 | — | 0.2747 | — | 462.7 | — | 10349 | — |
| Flame | 0.2924 | 2.5% | 0.2809 | 2.3% | 447.2 | 3.2% | 9089 | 12% |
| STS | 0.2953 | 3.6% | 0.2853 | 3.8% | 439.9 | 6.4% | 8596 | 17% |
表1. Flame和STS颜色测量精准度于NIST标准值的比较
尽管每一种光谱仪测试结果都被很好地进行了分类，但是测量值和NIST值之间还是有明显的差异。该绝对但是重复的差别可能主要是源于在使用对辐射度校准过的光源对光谱仪校准后，Flame和STS的测量系统与得到NIST值的差距。
然而，既然这种误差一直重复存在，那我们就可以通过修正的方法可以将这种误差移除。事实上，这是在校准过程中使用NIST校准过的LED和电源原因，所以使用者能够通过这种方法对系统和系统之间变化以及光源校准中产生的不一致进行纠正。这也是为什么系统的重复性可能是衡量系统表现的重要标准，我们在稍后会继续讨论。
当使用之前描述过的LED分选法作为判断可接受结果散布的标准方法时，我们发现测量结果的精准度变化范围很小。STS和Flame都给出了在七步MacAdam椭圆（表2）内的结果。尽管STS和Flame的结果不能给出与NIST得出结果时使用的仪器和校准的差别，他们仍然证明了海洋光学的光谱仪在LED色彩分选方面拥有非常高的精确度。
表2计算了Flame和STS测量结果之间的差别以及与NIST标准值之间的差异。这些差异除以MacAdam椭圆表征的面积就可以得到Flame和STS光谱仪测量结果所在的MacAdams步数。
Distance from NIST calibration values  | MacAdam Steps calculated from ellipse estimate for this region | |
| Flame | 0.00965 | 3.92 |
| STS | 0.01478 | 6.00 |
表2. Flame和STS颜色测量精确度
表二中值的计算是使用一个位于NIST校准值中心的值来估算MacAdam椭圆。椭圆的参数：a=0.0024，b=0.0005，a是椭圆的长轴的一半长度，b是椭圆短轴的一半长度。Flame和STS测量结果点到中间点距离除以MacAdam椭圆的参数得到MacAdam步数。如表所示，Flame的结果在四个MacAdam椭圆步数内，而STS的测量结果在六个MacAdam椭圆步数内。
图5展示了我们的测试结果基本上覆盖了七个步数的切割区域，该结果还没有对校准中的误差进行纠正，所以我们能预计在纠正后结果会更加好。
图5. 白色LED的分选区域在xy图上的分布。使用的LED是一个白色冷LED光源并且覆盖了最高色温的对应区域。左图的斜率曲线源于LED制造厂商Gree，Inc(4)。
结果：重复性
正如我们所看到的，我们能够通过Flame和STS得出很好地绝对精准度，那么测量的重复性怎么样呢？
两台仪器的重复性差异通过肉眼就能分辨出。如图5所示，光谱仪测量结果分散性较小，说明了比较好的重复性，图6展示了Flame测量结果的非常接近。
图6. Flame测量结果在xy坐标系内的离散分布
另外，下表内的数据显示了每台光谱仪测量的标准差，它体现了每个变量的变化。
| Standard Deviations | ||||
| x | y | dominant λ | CCT | |
| Flame | 5.55E-17 | 2.47E-05 | 0.054138 | 1.312791 |
| STS | 7.71E-05 | 1E-04 | 0.432337 | 11.34189 |
这些数据都可以看出Flame的测量偏差低于STS，所以Flame光谱仪有更好的重复性。
这种离散结果也可以通过使用MacAdam椭圆进行定义。每一个光谱仪的结果都在一个单步数MacAdam椭圆区域里。这个结果证明了一旦对光谱系统的设置和归零误差进行校准，每一台光谱仪都拥有区别高于人类极限的色差的能力。
表3所示，每一组测量值的测量偏差，再用该偏差除以这一区域预估的MacAdam椭圆，得到每台光谱仪的MacAdam步幅。
Deviation  | MacAdam Steps calculated from ellipse estimate for this region | |
| Flame | 0.00002 | 0.01 |
| STS | 0.00013 | 0.05 |
表3. Flame和STS测量辐射颜色的重复性
总结：Flame和STS光谱仪如何比较
在使用Flame和STS光谱仪测量LED辐射颜色的对比中，我们发现Flame光谱仪有更好的灵敏度和快速测量优势。Flame只需要STS一小部分的积分时间就能达到和STS一样的信噪比，这在以快速测量为主的应用中是一个很大的优势。另外，Torus和Maya LSL是快速测量应用中，高通光量的光谱仪选择。
另外，STS和Flame的测量结果在与LED的NIST校准值的比较中拥有很高的绝对精确度。使用海洋光学现有仪器得出的绝对辐射颜色结果在七步数MacAdam椭圆区域之中。MacAdam椭圆也是许多LED制造厂商用来定义单个LED色彩分选的依据。（该结果还是没有对STS和Flame光谱仪与NIST设置差异进行纠正过的。）
每一台光谱仪都证明了它的重复性，每一次测量结果都在一个MacAdam椭圆之内。 Flame的测量结果有更低的标准差，其中色温标准差是STS的10%。重复性是一个重要的参考标准，因为绝大多数的绝对误差可以作为系统误差在计算时进行校准。重复性意味着使用者每次使用相同的仪器都会得到相似的结果，这证明了光谱技术在分辨LED微小色差上拥有超越人类极限的能力。
不同的应用领域可以选配不同类型的光谱仪(表4)。Flame光谱仪在适用性大小和强大的表现能力上脱颖而出，STS可能在精确度和重复性方面不如Flame，但是仍然在小巧和高性价比表现能力上胜出。
| Measurement Speed (integration time needed to acquire comparable amount of data) | Dimensions and Weight | Repeatability | Price | |
| Flame | 20 ms | 88.9 mm x 63.5 mm x 31.9 mm, 265 g | Excellent | $$ |
| STS | 300 ms | 40 mm x 42 mm x 24 mm, 68g | Good | $ |
表4. Flame和STS光谱仪的主要衡量标准对比
因为颜色没有绝对值，所以它不是一个容易被量化的概念。光谱技术的使能用让用户更客观地定义颜色，海洋光学的光谱仪，光源，配件以及软件能对绝对辐射颜色进行精确的测量。
References
- 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.
- 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.
- 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
- Cree, Inc. Technical Article. LED Color Mixing: Basics and Background. 2010.