輻射顏色測量是光譜儀的一個重要應(yīng)用。
白熾LED的色品與色溫測量
LED生產(chǎn)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(chǎn)品的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性。屏幕顯示生產(chǎn)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(yī)藥應(yīng)用方面，比如與NASA合作的項目，使用LED激發(fā)細胞生長（2）。
在這篇應(yīng)用文章中，我們使用NIST校準過的兩款海洋光學(xué)光纖光譜儀（STS和Flame）對比輻射測量同一個白熾LED。Flame作為新一代高熱穩(wěn)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。
我們通過采集速度、準確度和重復(fù)性三方面對STS和Flame光譜儀進行對比。
顏色測量
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(fù)制的。二十世紀，人類開發(fā)了很多方法對顏色進行定義。現(xiàn)在經(jīng)常使用的CIE XYZ 1931坐標系統(tǒng)，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。
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(yīng)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(guān)聯(lián)的，
比如：
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(xiàn)性，所以對于照明應(yīng)用非常重要。
當(dāng)測量LED的顏色時，定義對于同一種顏色的LED，測量結(jié)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(fā)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(nèi)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(nèi)xy坐標系的標準差就可以認定為可被感知的色差。
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?zé)糁圃斓臉藴?。每一步代表了一片面積，該面積區(qū)域里的任何一個點都是離中心點一個標準差。
在大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)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。
為了對同色LED進行分選，該圖經(jīng)常被用來作為相近顏色色差計算的指導(dǎo)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?nèi)匀荒茴A(yù)測此次分選的結(jié)果與測量過程使用的不同步驟之間的差異。
圖2. 如何使用七步MacAdam橢圓來定義LED在CIE 1931色品圖中的分割區(qū)域（3）。
顏色測量步驟
絕對輻射顏色測量可以通過以下幾步完成：
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。
結(jié)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，F(xiàn)lame是20ms，STS是300ms。
圖3. Flame和STS光譜儀測試出的白色LED光譜。優(yōu)化光譜儀的積分時間來獲得類似的信號長度。結(jié)果證明Flame擁有更好的輸出性能，意味著測量時間更短。
更低的積分時間顯示了Flame在靈敏度上優(yōu)于STS，F(xiàn)lame能在20ms之內(nèi)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(yīng)用中，例如生產(chǎn)測試和質(zhì)量監(jiān)控。海洋光學(xué)還提供高通光量、低雜散光的Torus 和 Maya LsL光譜儀，實現(xiàn)更快的測量。
盡管Flame已經(jīng)是一個小型的儀器，STS仍然有著體積小的優(yōu)勢。如果光譜儀需要集成到其他設(shè)備里，STS的小體積—只有40 mm x 42 mm x 24 mm—可以成為某些應(yīng)用領(lǐng)域更好的選擇。小體積，使得手持式儀器幾乎能在所有領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，包括研發(fā)實驗室、過程環(huán)境監(jiān)控、測試和監(jiān)控以及一些農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。
結(jié)果：絕對準確度
現(xiàn)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(jié)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(fù)性的前提下進行么？
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(shù)都被重新設(shè)定。這樣的方式能夠讓數(shù)據(jù)包含系統(tǒng)的變化以及因為暗背景變化所導(dǎo)致的測量可重復(fù)性的變化。同時記錄CCT，主要波長和x，y數(shù)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(jié)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(yīng)用上有更好的精準度。
Flame的結(jié)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，F(xiàn)lame的平均值更接近于校準值。
| 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(jié)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(fù)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，F(xiàn)lame和STS的測量系統(tǒng)與得到NIST值的差距。
然而，既然這種誤差一直重復(fù)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(tǒng)和系統(tǒng)之間變化以及光源校準中產(chǎn)生的不一致進行糾正。這也是為什么系統(tǒng)的重復(fù)性可能是衡量系統(tǒng)表現(xiàn)的重要標準，我們在稍后會繼續(xù)討論。
當(dāng)使用之前描述過的LED分選法作為判斷可接受結(jié)果散布的標準方法時，我們發(fā)現(xiàn)測量結(jié)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(nèi)的結(jié)果。盡管STS和Flame的結(jié)果不能給出與NIST得出結(jié)果時使用的儀器和校準的差別，他們?nèi)匀蛔C明了海洋光學(xué)的光譜儀在LED色彩分選方面擁有非常高的精確度。
表2計算了Flame和STS測量結(jié)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(jié)果所在的MacAdams步數(shù)。
| 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(shù)：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(jié)果點到中間點距離除以MacAdam橢圓的參數(shù)得到MacAdam步數(shù)。如表所示，F(xiàn)lame的結(jié)果在四個MacAdam橢圓步數(shù)內(nèi)，而STS的測量結(jié)果在六個MacAdam橢圓步數(shù)內(nèi)。
圖5展示了我們的測試結(jié)果基本上覆蓋了七個步數(shù)的切割區(qū)域，該結(jié)果還沒有對校準中的誤差進行糾正，所以我們能預(yù)計在糾正后結(jié)果會更加好。
圖5. 白色LED的分選區(qū)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(yīng)區(qū)域。左圖的斜率曲線源于LED制造廠商Gree，Inc(4)。
結(jié)果：重復(fù)性
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(fù)性怎么樣呢？
兩臺儀器的重復(fù)性差異通過肉眼就能分辨出。如圖5所示，光譜儀測量結(jié)果分散性較小，說明了比較好的重復(fù)性，圖6展示了Flame測量結(jié)果的非常接近。
圖6. Flame測量結(jié)果在xy坐標系內(nèi)的離散分布
另外，下表內(nèi)的數(shù)據(jù)顯示了每臺光譜儀測量的標準差，它體現(xiàn)了每個變量的變化。
| 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 |
這些數(shù)據(jù)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(fù)性。
這種離散結(jié)果也可以通過使用MacAdam橢圓進行定義。每一個光譜儀的結(jié)果都在一個單步數(shù)MacAdam橢圓區(qū)域里。這個結(jié)果證明了一旦對光譜系統(tǒng)的設(shè)置和歸零誤差進行校準，每一臺光譜儀都擁有區(qū)別高于人類極限的色差的能力。
表3所示，每一組測量值的測量偏差，再用該偏差除以這一區(qū)域預(yù)估的MacAdam橢圓，得到每臺光譜儀的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測量輻射顏色的重復(fù)性
總結(jié)：Flame和STS光譜儀如何比較
在使用Flame和STS光譜儀測量LED輻射顏色的對比中，我們發(fā)現(xiàn)Flame光譜儀有更好的靈敏度和快速測量優(yōu)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(yīng)用中是一個很大的優(yōu)勢。另外，Torus和Maya LSL是快速測量應(yīng)用中，高通光量的光譜儀選擇。
另外，STS和Flame的測量結(jié)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(xué)現(xiàn)有儀器得出的絕對輻射顏色結(jié)果在七步數(shù)MacAdam橢圓區(qū)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(jù)。（該結(jié)果還是沒有對STS和Flame光譜儀與NIST設(shè)置差異進行糾正過的。）
每一臺光譜儀都證明了它的重復(fù)性，每一次測量結(jié)果都在一個MacAdam橢圓之內(nèi)。 Flame的測量結(jié)果有更低的標準差，其中色溫標準差是STS的10%。重復(fù)性是一個重要的參考標準，因為絕大多數(shù)的絕對誤差可以作為系統(tǒng)誤差在計算時進行校準。重復(fù)性意味著使用者每次使用相同的儀器都會得到相似的結(jié)果，這證明了光譜技術(shù)在分辨LED微小色差上擁有超越人類極限的能力。
不同的應(yīng)用領(lǐng)域可以選配不同類型的光譜儀(表4)。Flame光譜儀在適用性大小和強大的表現(xiàn)能力上脫穎而出，STS可能在精確度和重復(fù)性方面不如Flame，但是仍然在小巧和高性價比表現(xiàn)能力上勝出。
| 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光譜儀的主要衡量標準對比
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(shù)的使能用讓用戶更客觀地定義顏色，海洋光學(xué)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。
References