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LED颜色测量

LED颜色测量

本文关键词: 新材料光度色度
摘要

白炽LED的色品与色温测量

 

万人炸金花FUSHEYANSECELIANGSHIGUANGPUYIDEYIGEZHONGYAOYINGYONG。LEDSHENGCHANSHANGLIYONGYANSECELIANGDUILEDJINXINGFENXUAN(FENXUANDEBIAOZHUN:GONGNENGHAOCHA、YANSELIANGDUBIAOZHUNDENGDENG),LAIBAOZHENGCHANPINDEYIZHIXINGHEZHILIANGWENDINGXING。PINGMUXIANSHISHENGCHANSHANGSHIYONGFUSHECELIANGDUIPINGMUDEXIANSEJINXINGXIAOZHUN,PANDINGQISHIFOUZAIBIAOZHUNFANWEI。LEDDEFUSHECELIANGZAIYUANYIFANGMIAN(1)YEJUYOUHENDAYONGCHU,YINWEILEDYESHIZHIWUYANJIUHEWENSHIGUANGYUANDEZHUYAOBUFEN;LINGWAIZAISHENGWUYIYAOYINGYONGFANGMIAN,BIRUYUNASAHEZUODEXIANGMU,SHIYONGLEDJIFAXIBAOSHENGZHANG(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(STSFlame)对比辐射测量同一个白炽LED。Flame万人炸金花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STSFlame光谱仪进行对比。

 

颜色测量

 

YANSEDINGYIQISHIXIANGDUIBIJIAOZHUGUANDE,RENYANDUIYANSEDEGANZHIHEHUOQUSHIZAIPINGCHANGBUGUODANQUESHIBUKEFUZHIDE。ERSHISHIJI,RENLEIKAIFALEHENDUOFANGFADUIYANSEJINXINGDINGYI。XIANZAIJINGCHANGSHIYONGDECIE XYZ 1931ZUOBIAOXITONG,SHIYONGXHEZZHIRENWEISEPIN,YZUOWEILIANGDU(QIANGDU)。TU1.JIUZHANSHILECIE 1931 XHEYYANSEKONGJIAN。

 

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formula 1,y formula-2

CIE1931 色品图

万人炸金花TU1.CIE1931 SEPINTU

LINGWAI,SEWEN(CCT)HEZHUBOZHANGSHIDUIBIXIAOZHUNLEDDEZHUYAOZHIBIAO。TONGGUOxHEyDEZHIPANDINGBUTONGDELED,BINGYICIZUOWEILEDDETEZHENGSHUCHU。GENGWEIZHONGYAODESHI,YINWEICCTDINGYILEGUANGYANSEDEBIAOXIANXING,SUOYIDUIYUZHAOMINGYINGYONGFEICHANGZHONGYAO。

 

万人炸金花DANGCELIANGLEDDEYANSESHI,DINGYIDUIYUTONGYIZHONGYANSEDELED,  CELIANGJIEGUOZAIxySEZUOBIAOZHONGDEKEJIESHOUDUSHIFEICHANGBIYAODE。20SHIJIZHONGYE, David MacAdamKAIFALEYIZHONGDUIBUTONGZHONGYANSEJINXINGFENLEIDEFANGFA,TADINGYILEYIGEZAIxyZUOBIAONEIYIBANRENROUYANBUNENGFENBIANSECAIDETUOYUANBINGTU。TONGGUOGAISEPINTUKEYIYANSHENGDINGYILEDZAICIE 1931YANSEZUOBIAOXILIDEFENBU,BINGYICIJIANGLEDJINXINGFENXUAN。MacAdam SEPINTUNEI xyZUOBIAOXIDEBIAOZHUNCHAJIUKEYIRENDINGWEIKEBEIGANZHIDESECHA。

 

ANSI(MEIGUOGUOJIABIAOZHUNZUZHI)C78-377A HAOWENJIANSHIYONGSIBUMacAdamTUOYUANDINGYIDEFANGFAZUOWEICFL(XIAOXINGYINGGUANGDENG)HELUSUDENGZHIZAODEBIAOZHUN。MEIYIBUDAIBIAOLEYIPIANMIANJI,GAIMIANJIQUYULIDERENHEYIGEDIANDOUSHILIZHONGXINDIANYIGEBIAOZHUNCHA。

 

万人炸金花ZAIDADUOSHUDEGONGYEYINGYONGZHONG,LEDZHIZAOSHANG(3)DINGYILEQIBUMacAdamTUOYUANZUOWEIYIGECHANGYONGDEYONGLAIDINGYIKEJIESHOUFANWEIDEBIAOZHUN。RUTUERSUOSHI,LEDDEFENXUANYESHIJIYUMacAdamQIBUTUOYUANDEFANGFA。

 

万人炸金花WEILEDUITONGSELEDJINXINGFENXUAN,GAITUJINGCHANGBEIYONGLAIZUOWEIXIANGJINYANSESECHAJISUANDEZHIDAOGONGJU。SUIRANZAIZHEIPIANWENZHANGZHONGZHISHIYONGLEYIGELEDJINXINGCESHI,DANSHIWOMENRENGRANNENGYUCECICIFENXUANDEJIEGUOYUCELIANGGUOCHENGSHIYONGDEBUTONGBUZHOUZHIJIANDECHAYI。

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)。

TUER .RUHESHIYONGQIBUMacAdam TUOYUANLAIDINGYILEDZAICIE 1931 SEPINTUZHONGDEFENGEQUYU(3)。

颜色测量步骤

 

JUEDUIFUSHEYANSECELIANGKEYITONGGUOYIXIAJIBUWANCHENG:

  1. 确定实验设置
  2. 用校准光源对于实验设置进行绝对辐射校准
  3. 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STSflame 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300 ms.

Flame 和 STS 光谱仪测试出的白色LED光谱

图3:FlameSTS 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万人炸金花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STSFlame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TorusMaya LsL 万人炸金花光谱仪,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?

 

万人炸金花WEILECESHIGAIXINGNENG,WOMENXUANZESIZUYANGPINMEIZU20GEJINXING80CICELIANG,MEIYICICELIANGDEANBEIJINGCANKAOXISHUDOUBEIZHONGXINSHEDING。ZHEIYANGDEFANGSHINENGGOURANGSHUJUBAOHANXITONGDEBIANHUAYIJIYINWEIANBEIJINGBIANHUASUODAOZHIDECELIANGKEZHONGFUXINGDEBIANHUA。TONGSHIJILUCCT, ZHUYAOBOZHANGHEx,ySHUZHI,BINGQIEYONGx,yZHISUOZUODETUYEYONGLAIZHANSHICELIANGZHONGDEBIANHUAGUOCHENG(TU4)。TU4ZHANSHILEMEITAIGUANGPUYICAIJIDEx,yZHIDEFENBUYIJINIST LEDXIAOZHUNGUODEZHI。

白色LED xy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FlameSTS在该应用上有更好的精准度。

 

  • 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。

 

表一:FlameSTS颜色测量精准度于NIST标准值的比较

 

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%

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,FalmeSTS的测量系统与得到NIST值的差距。

 

万人炸金花RANER,JIRANZHEIZHONGWUCHAYIZHIZHONGFUCUNZAI,NEIWOMENJIUKEYITONGGUOXIUZHENGDEFANGFAKEYIJIANGZHEIZHONGWUCHAYICHU。SHISHISHANG,ZHEISHIZAIXIAOZHUNGUOCHENGZHONGSHIYONGNISTXIAOZHUNGUODELEDHEDIANYUANYUANYIN,SUOYISHIYONGZHENENGGOUTONGGUOZHEIZHONGFANGFADUIXITONGHEXITONGZHIJIANBIANHUAYIJIGUANGYUANXIAOZHUNZHONGCHANSHENGDEBUYIZHIJINXINGJIUZHENG。ZHEIYESHIWEISHENMEXITONGDEZHONGFUXINGKENENGSHIHENGLIANGXITONGBIAOXIANDEZHONGYAOBIAOZHUN,WOMENZAISHAOHOUHUIJIXUTAOLUN。

 

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。STSFlame都给出了在七步MacAdam椭圆(表2)内的结果。尽管STSFlame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。

 

表二计算了FlameSTS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FlameSTS光谱仪测量结果所在的MacAdams步数。

 

表二:FlameSTS颜色测量精确度

 

Distance from NIST calibration values
formula-3

MacAdam Steps calculated from ellipse estimate for this region

Flame

0.00965

3.92

STS

0.01478

6.00

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。FlameSTS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。

 

万人炸金花TU5ZHANSHILEWOMENDECESHIJIEGUOJIBENSHANGFUGAILEQIGEBUSHUDEQIEGEQUYU,GAIJIEGUOHAIMEIYOUDUIXIAOZHUNZHONGDEWUCHAJINXINGJIUZHENG,SUOYIWOMENNENGYUJIZAIJIUZHENGHOUJIEGUOHUIGENGJIAHAO。

白色LED的分选区域在xy图上的分布

TU5:BAISELEDDEFENXUANQUYUZAIxyTUSHANGDEFENBU。SHIYONGDELEDSHIYIGEBAISELENGLEDGUANGYUANBINGQIEFUGAILEZUIGAOSEWENDEDUIYINGQUYU。ZUOTUDEXIELVQUXIANYUANYULEDZHIZAOCHANGSHANGGree,Inc(4)。

 

结果:重复性

 

正如我们所看到的,我们能够通过FlameSTS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。

Flame测量结果在xy坐标系内的离散分布

TU6:FlameCELIANGJIEGUOZAIxyZUOBIAOXINEIDELISANFENBU

万人炸金花LINGWAI,XIABIAONEIDESHUJUXIANSHILEMEITAIGUANGPUYICELIANGDEBIAOZHUNCHA,TATIXIANLEMEIGEBIANLIANGDEBIANHUA。

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万人炸金花光谱仪有更好的重复性。

 

ZHEIZHONGLISANJIEGUOYEKEYITONGGUOSHIYONGMacAdamTUOYUANJINXINGDINGYI。MEIYIGEGUANGPUYIDEJIEGUODOUZAIYIGEDANBUSHUMacAdamTUOYUANQUYULI。ZHEIGEJIEGUOZHENGMINGLEYIDANDUIGUANGPUXITONGDESHEZHIHEGUILINGWUCHAJINXINGXIAOZHUN,MEIYITAIGUANGPUYIDOUYONGYOUQUBIEGAOYURENLEIJIXIANDESECHADENENGLI。

 

万人炸金花BIAOSANSUOSHI,MEIYIZUCELIANGZHIDECELIANGPIANCHA,ZAIYONGGAIPIANCHACHUYIZHEIYIQUYUYUGUDEMacAdam TUOYUAN,DEDAOMEITAIGUANGPUYIDEMacAdamBUFU。

 

表三: FlameSTS测量辐射颜色的重复性

 

 

Deviation  formula-3

 MacAdam Steps calculated from ellipse estimate for this region

Flame

0.00002

0.01

STS

0.00013

0.05

 

总结:FlameSTS光谱仪如何比较

 

在使用FlameSTS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,TorusMaya LSL万人炸金花是快速测量应用中,高通光量的光谱仪选择。

 

另外,STSFlame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STSFlame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(表四)。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万人炸金花,但是仍然在小巧和高性价比表现能力上胜出。

 

表四:FlameSTS光谱仪的主要衡量标准对比

 

Measurement Speed (integration time needed to acquire comparable amount of data)

Dimensions and Weight

Repeatability

Price

Flame

20 ms

万人炸金花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

$

 

YINWEIYANSEMEIYOUJUEDUIZHI,SUOYITABUSHIYIGERONGYIBEILIANGHUADEGAINIAN。GUANGPUJISHUDESHINENGYONGRANGYONGHUGENGKEGUANDIDINGYIYANSE,HAIYANGGUANGXUEDEGUANGPUYI,GUANGYUAN,PEIJIANYIJIRUANJIANNENGDUIJUEDUIFUSHEYANSEJINXINGJINGQUEDECELIANG。

 

References

1.      Light Environmental Management for Artificial Protected Horticulture (Review Article). Liu, Wenke.万人炸金花 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,

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

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