CN101290246B - 一种快速光谱仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速光谱仪及其测量方法，包括一个用于测量待测光源光谱功率分布的快速光谱解析系统，在快速光谱解析系统上连接有用于采集光信号并将其传送至快速光谱解析系统的光信号采集装置，所述的快速光谱解析系统与微控制器电连接，其特征在于，它还包括一个用于测量待测光源光度量或辐射度量的参考探头，该参考探头通过一个可将模拟信号转换为数字信号的信号转换电路与上述的微控制器电连接。本发明利用参考探头实现大跨度动态范围内光度量或辐射度量的线性测量，并且利用分光法的测量结果，将探头的测量结果校正为精确值。在电脑中存储有各种已知的标准值，以便于在校正时调用，对测量值进行校正，因此，能够有效地提高测量精度。

Description

一种快速光谱仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种快速光谱仪及其测量方法。

背景技术

快速光谱仪与传统扫描式光谱仪相比，具有测量速度快的优点，完成一次测量最快只需几个毫秒。快速光谱仪采用了阵列型探测器如电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列(PDA)作为其光电传感器件，阵列型探测器上的众多象素能将分光元件分出的某段波长范围内的单色光一次性全部感应并转化为电信号，信号大小与照射在该象素上的单色光光强大小成正比。快速光谱仪经过已知光谱功率分布的标准光源校准后，可实现待测光源的光谱功率分布的快速测量。

待测光源的光谱功率分布的积分即为其在该段波长范围内的辐射度量，与V(λ)函数的加权积分即为待测光源的光度量，V(λ)函数为CIE(国际照明委员会)标准光谱光效率函数，从而可通过快速光谱仪实现待测光源的辐射度量或光度量的快速测量，这种使用光谱仪测量待测光源的测量光谱功率分布从而计算其辐射度量或光度量的方法称为分光法。该方法的缺点在于：由于快速光谱仪所使用的光电传感器件CCD或PDA的动态范围较窄，其响应存在非线性的问题，即实际象素的响应信号大小不与其上的光强大小成严格正比关系，并且器件的积分时间也会引起非线性问题，这些问题将造成较大的测量误差，所以一般的快速光谱仪线性动态范围都较窄。

另一种辐射度量或光度量的测量方法是积分法，它不使用光谱仪测量待测光源的光谱功率分布，而使用探头直接测量待测光源的辐射度量或光度量：探头的光电传感器件所产生的电信号大小与待测光源的辐射度量或光度量大小成正比，探头经过已知辐射度量或光度量的标准光源校准后，可测量待测光源的辐射度量或光度量。由于硅光电池具有大跨度动态范围内极好的线性(好的硅光电池在7个数量级范围内线性<0.2％)，因此使用光电传感器件为硅光电池的探头进行积分法测量，可以实现大跨度动态范围的线性测量。积分法的缺点在于：精确的积分法测量需要在探头的光电传感器件前安置合适的滤色片，以使得探头的相对光谱灵敏度与V(λ)曲线精确匹配(测光度量时)，或者探头的相对光谱灵敏度精确匹配为平坦直线(测辐射度量时)，这对探头制造工艺要求很高，实现难度较大，实施成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种具有大跨度线性动态范围的快速光谱仪。解决现有技术中所存在的快速光谱仪的线性范围窄的技术问题。

本发明的另一目的是针对上述问题，提供一种能够对测量结果进行精确校正，有效提高测量精度的快速光谱仪的测量方法，并且降低对探头光谱匹配的要求，即在测光度量时，其相对光谱灵敏度不要求精确匹配为V(λ)曲线，在测辐射度量时，其相对光谱灵敏度不要求精确匹配为平坦直线。解决现有技术中所存在的探头无法同时满足高精度和相对光谱灵敏度低匹配要求的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种快速光谱仪，包括一个用于测量待测光源光谱功率分布的快速光谱解析系统，在快速光谱解析系统上连接有用于采集光信号并将其传送至快速光谱解析系统的光信号采集装置，所述的快速光谱解析系统与微控制器电连接，其特征在于，它还包括一个用于测量待测光源光度量或辐射度量的参考探头，该参考探头通过一个可将模拟信号转换为数字信号的信号转换电路与上述的微控制器电连接。

在上述的快速光谱仪中，所述的微控制器与电脑电连接，并可与其进行数据交换；所述电脑将参考探头的测量值结合快速光谱解析系统测得的待测光源光谱功率分布进行测量值校正。

本发明创造性地结合了分光法和积分法各自的优点，利用参考探头实现大跨度动态范围内光度量或辐射度量的线性测量，并且利用分光法的测量结果，将探头的测量结果校正为精确值。在电脑中存储有各种已知的标准值，以便于在校正时调用，对测量值进行校正。

在上述的快速光谱仪中，所述的参考探头的光电传感器件为硅光电池；所述的快速光谱解析系统的光电传感器件为电荷耦合器件或光电二极管阵列。

在上述的快速光谱仪中，所述的光信号采集装置为一个光束收集器或者一根光纤，所述的光束收集器包括一根安装管，其一端通过连接器与快速光谱解析系统的连接装置相连，另一端装有余弦修正器，在安装管内设有用于汇聚光线的凸透镜。

在上述的快速光谱仪中，所述的微控制器通过数据通讯接口与电脑相连，且数据通讯接口为USB数据通讯口，红外线数据通讯口或蓝牙数据通讯口中的任意一种。

在上述的快速光谱仪中，所述的参考探头的相对光谱灵敏度在快速光谱解析系统所能测量的光谱范围以外的响应为零；参考探头和信号转换电路之间通过导线连接，且该导线为屏蔽线。

在上述的快速光谱仪中，其光谱测量范围为380nm～780nm。

本快速光谱仪通过下述的测量方法实现测量，包括如下内容：a.微控制器控制快速光谱解析系统测量得到待测光源的光谱功率分布，并将其输入至电脑；

b.微控制器控制参考探头测量待测光源光度量或辐射度量，并将其输入至电脑；

c.电脑将参考探头所测得的待测光源光度量或辐射度量结合快速光谱解析系统测得的待测光源光谱功率分布，通过校正系数进行校正。

在上述的快速光谱仪的测量方法中，测量待测光源的光度量时，参考探头测量待测光源的光度量，快速光谱解析系统测量待测光源的光谱功率分布，按以下公式计算光谱解析校正系数K1： $K1=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)V\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}}{\underset{380}{\overset{780}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)s{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_{\mathrm{rel}}\mathrm{d\&lambda;}}\frac{\underset{380}{\overset{780}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{ss}{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_{\mathrm{rel}}\mathrm{d\&lambda;}}{\underset{380}{\overset{780}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{sV}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}},$ 然后将参考探头所测得的光度量乘以K1，即可得到待测光源的精确光度量；式中V(λ)为已知CIE标准光谱光效率函数，s(λ)_rel为参考探头的事先已经精确测得的相对光谱灵敏度，P(λ)_s为用于校准参考探头的标准光源的已知相对光谱功率分布，P(λ)_t为快速光谱解析系统所测得的待测光源的相对光谱功率分布。

在上述的快速光谱仪的测量方法中，测量待测光源的辐射度量时，参考探头测量待测光源的辐射度量，快速光谱解析系统测量待测光源的光谱功率分布，按以下公式计算光谱解析校正系数K2： $K2=\frac{\underset{\mathrm{\&lambda;}1}{\overset{\mathrm{\&lambda;}2}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}}{\underset{\mathrm{\&lambda;}1}{\overset{\mathrm{\&lambda;}2}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)s{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_{\mathrm{rel}}\mathrm{d\&lambda;}}\frac{\underset{\mathrm{\&lambda;}1}{\overset{\mathrm{\&lambda;}2}{\&Integral;}}P{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_{S}s{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_{\mathrm{rel}}\mathrm{d\&lambda;}}{\underset{\mathrm{\&lambda;}1}{\overset{\mathrm{\&lambda;}2}{\&Integral;}}P{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_S\mathrm{d\&lambda;}},$ 参考探头所测得的辐射度量乘以K2，即可得到待测光源的精确辐射度量；式中s(λ)_rel为参考探头的事先已经精确测得的相对光谱灵敏度，P(λ)_s为用于校准参考探头的标准光源的已知相对光谱功率分布，P(λ)_t为快速光谱解析系统所测得的待测光源的相对光谱功率分布，λ₁～λ₂为所测辐射度量的波长范围。

与现有的技术相比，本发明的优点在于，充分发挥了两种测量方式的优点：1.测量的动态范围大，线性好。2.测量的结果精确；即在不要求探头的相对光谱灵敏度与V(λ)曲线精确匹配的条件下，可实现大跨度线性范围内光度量的精确测量，或者在不要求探头相对光谱灵敏度为平坦直线的条件下，可实现大跨度线性范围内辐射度量的精确测量。

附图说明

图1是本发明提供的一种结构框图。

图2是本发明提供的一种快速光谱解析系统的结构示意图。

图3是本发明提供的一种光信号采集装置的结构示意图。

图4是本发明提供的一种信号转换电路的结构示意图。

图5是本发明提供的一种参考探头的相对光谱灵敏度曲线，V(λ)曲线，以及标准光源和待测光源的相对光谱功率分布曲线的示意图。

图中，1、快速光谱解析系统；1a、连接装置；11、狭缝；12、准直镜；13、光栅；14、聚焦镜；15、CCD感光系统；2、光信号采集装置；2a、光束收集器；2b、连接器；2c、余弦修正器；2d、凸透镜；2e、安装管；3、微控制器；4、参考探头；5、信号转换电路；5a、放大器；5b、A/D转换器；5c、电阻；6、电脑；V(λ)、CIE标准光谱光效率函数；s(λ)rel、参考探头4的相对光谱灵敏度；P(λ)s、用以校准参考探头4的标准光源的相对光谱功率分布；P(λ)t、待测光源的相对光谱功率分布。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，本快速光谱仪，包括一个用于测量待测光源光谱功率分布的快速光谱解析系统1，在快速光谱解析系统1上连接有用于采集光信号并将其传送至快速光谱解析系统1的光信号采集装置2，快速光谱解析系统1与微控制器3电连接。它还包括一个用于测量待测光源光度量的参考探头4，该参考探头4通过一个用于将参考探头4的模拟电信号转换为数字信号的信号转换电路5与上述的微控制器3电连接。微控制器3与电脑6电连接，并可与其进行数据交换。电脑6可将参考探头4所测得的待测光源光度量结合快速光谱解析系统1测得的待测光源光谱功率分布，采用一种光谱解析校正方法将参考探头4的测量结果校正为精确值。其中，参考探头4的光电传感器件为硅光电池；快速光谱解析系统1的光电传感器件为电荷耦合器件或光电二极管阵列。微控制器3通过数据通讯接口与电脑6相连，且数据通讯接口为USB数据通讯口。参考探头4和信号转换电路5之间通过导线连接，且为了防止干扰，该导线为屏蔽线。

如图2所示，快速光谱解析系统1通过连接装置1a与光信号采集装置2机械连接。快速光谱解析系统1可采用传统的非对称CT式光路结构，入射光线经过狭缝11后由准直镜12变为平行光线，光栅13将其分成不同方向反射的单色光，这些不同方向反射的单色光经过聚焦镜14聚焦，成像在CCD感光系统15中的CCD的象素上，不同位置的光对应不同波长的单色光，从而实现了分光。CCD的象素将光信号转换为电信号，从而实现了待测光源光谱功率分布的快速测量。机箱上装有用以与光信号采集装置2连接用的连接装置1a。

如图3所示，光信号采集装置2为一个光束收集器2a，其一端通过连接器2b与快速光谱解析系统1的连接装置1a相连，在另一端有一余弦修正器2c安装在安装管2e上，在安装管2e内部中间位置安装有凸透镜2d，用以汇聚通过余弦修正器2c的光线，并将其传送至快速光谱解析系统1。

如图4所示，信号转换电路5包括放大器5a、电阻5c和A/D转换器5b，参考探头4的两端分别与放大器5a的两个输入端连接，电阻5c一端接在放大器5a的一个输入端，另一端接在放大器5a的输出端，A/D转换器5b的输入端与放大器5a的输出端相连，输出端则与中央控制器3相连。

本快速光谱仪的光谱测量范围为380nm～780nm，专门用以测量待测光源的光度量。

一种快速光谱仪的测量方法，包括下述内容：a.微控制器控制快速光谱解析系统测量待测光源的光谱功率分布，并将其输入至电脑；b.微控制器控制参考探头测量待测光源的光度量，并将其输入至电脑；c.电脑将参考探头所测得的待测光源光度量结合快速光谱解析系统测得的待测光源光谱功率分布，采用一种光谱解析校正方法将探头的测量结果校正为精确值。

上述的一种光谱解析校正方法包括下述内容：参考探头测量待测光源的光度量，快速光谱解析系统测量待测光源的光谱功率分布，按以下公式计算光谱解析校正系数K1： $K1=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)V\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}}{\underset{380}{\overset{780}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)s{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_{\mathrm{rel}}\mathrm{d\&lambda;}}\frac{\underset{380}{\overset{780}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{ss}{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_{\mathrm{rel}}\mathrm{d\&lambda;}}{\underset{380}{\overset{780}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{sV}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}},$ 然后将参考探头所测得的光度量乘以K1，即可得到待测光源的精确光度量；式中V(λ)为已知CIE标准光谱光效率函数，s(λ)_rel为参考探头的已知相对光谱灵敏度，P(λ)_s为用于校准参考探头的标准光源的已知相对光谱功率分布，P(λ)t为快速光谱解析系统所测得的待测光源的相对光谱功率分布。

工作时，被测光经光信号采集装置2导入快速光谱解析系统1，快速光谱解析系统1测出被测光的光谱功率分布，通过电线将数据传送给微控制器3。信号转换电路5将参考探头4的模拟电信号转化为数字信号，并通过电线将数字信号传送给微控制器3。微控制器3控制整个快速光谱仪的工作接受电脑6的命令和向电脑6输出数据。电脑6将开始测试命令发给微控制器3后，微控制器3控制快速光谱解析系统1测出待测光源的光谱功率分布，并控制参考探头4测出待测光源的光度量，然后将测量数据结果传送给电脑6。电脑6根据这些测量数据结果，采用上述的光谱解析校正方法进行测量值校正，并给出最后测量结果。

如图5所示，V(λ)为CIE标准光谱光效率函数，s(λ)rel为所用的参考探头4的相对光谱灵敏度，P(λ)s为用以校准参考探头4的标准光源的相对光谱功率分布，P(λ)t为待测光源的相对光谱功率分布。参考探头4的s(λ)rel在380～780nm范围内的值已通过其他仪器精确测得，并且在此范围外为零，它与V(λ)存在明显的失配，标准光源为色温2856K的卤钨灯，待测光源为红光LED。

在测量待测光源的辐射度量时，与上述过程类似，本文不做赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了1、快速光谱解析系统；1a、连接装置；11、狭缝；12、准直镜；13、光栅；14、聚焦镜；15、CCD感光系统；2、光信号采集装置；2a、光束收集器；2b、连接器；2c、余弦修正器；2d、凸透镜；2e、安装管；3、微控制器；4、参考探头；5、信号转换电路；5a、放大器；5b、A/D转换器；5c、电阻；6、电脑；V(λ)、CIE标准光谱光效率函数；s(λ)rel、参考探头4的相对光谱灵敏度；P(λ)s、用以校准参考探头4的标准光源的相对光谱功率分布；P(λ)t、待测光源的相对光谱功率分布等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种阵列探测光谱仪，包括一个用于测量待测光源光谱功率分布的阵列探测器光谱解析系统(1)，在阵列探测器光谱解析系统(1)上连接有用于采集光信号并将其传送至阵列探测器光谱解析系统(1)的光信号采集装置(2)，所述的阵列探测器光谱解析系统(1)与微控制器(3)电连接，其特征在于，它还包括一个用于测量待测光源光度量或辐射度量的参考探头(4)，该参考探头(4)通过一个信号转换电路(5)与上述的微控制器(3)电连接；所述的微控制器(3)与电脑(6)电连接，并可与其进行数据交换；所述电脑(6)将参考探头(4)的测量值结合阵列探测器光谱解析系统(1)测得的待测光源光谱功率分布进行测量值校正。

2.根据权利要求1所述的阵列探测光谱仪，其特征在于，所述的参考探头(4)的光电传感器件为硅光电池；所述的阵列探测器光谱解析系统(1)的光电传感器件为电荷耦合器件或光电二极管阵列。

3.根据权利要求1所述的阵列探测光谱仪，其特征在于，所述的光信号采集装置(2)为一个光束收集器(2a)或者一根光纤，所述的光束收集器(2a)包括一根安装管(2e)，其一端通过连接器(2b)与阵列探测器光谱解析系统(1)的连接装置(1a)相连，另一端装有余弦修正器(2c)，在安装管(2e)内设有用于汇聚光线的凸透镜(2d)。

4.根据权利要求1所述的阵列探测光谱仪，其特征在于，所述的微控制器(3)通过数据通讯接口与电脑(6)相连，且数据通讯接口为USB数据通讯口，红外线数据通讯口或蓝牙数据通讯口中的任意一种。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的阵列探测光谱仪，其特征在于，所述的参考探头(4)的相对光谱灵敏度在阵列探测器光谱解析系统所能测量的光谱范围以外的响应为零；参考探头(4)和信号转换电路(5)之间通过导线连接，且该导线为屏蔽线。

6.根据权利要求1所述的阵列探测光谱仪，其特征在于，其光谱测量范围为380nm～780nm。

7.一种阵列探测光谱仪的测量方法，其特征在于，该方法包括下述内容：

a.微控制器控制阵列探测器光谱解析系统测量得到待测光源的光谱功率分布，并将其输入至电脑；

b.微控制器控制参考探头测量待测光源光度量或辐射度量，并将其输入至电脑；

c.电脑将参考探头所测得的待测光源光度量或辐射度量结合阵列探测器光谱解析系统测得的待测光源光谱功率分布，通过校正系数进行校正。

8.根据权利要求7所述的阵列探测光谱仪的测量方法，其特征在于，测量待测光源的光度量时，参考探头测量待测光源的光度量，阵列探测器光谱解析系统测量待测光源的光谱功率分布，按以下公式计算光谱解析校正系数K1：然后将参考探头所测得的光度量乘以K1，即可得到待测光源的精确光度量；式中V(λ)为已知CIE标准光谱光效率函数，s(λ)_rel为参考探头的事先已经精确测得的相对光谱灵敏度，P(λ)_S为用于校准参考探头的标准光源的已知相对光谱功率分布，P(λ)_t为阵列探测器光谱解析系统所测得的待测光源的相对光谱功率分布。

9.根据权利要求7所述的阵列探测光谱仪的测量方法，其特征在于，测量待测光源的辐射度量时，参考探头测量待测光源的辐射度量，阵列探测器光谱解析系统测量待测光源的光谱功率分布，按以下公式计算光谱解析校正系数K2：

参考探头所测得的辐射度量乘以K2，即可得到待测光源的精确辐射度量；式中s(λ)_rel为参考探头的事先已经精确测得的相对光谱灵敏度，P(λ)_S为用于校准参考探头的标准光源的已知相对光谱功率分布，P(λ)_t为阵列探测器光谱解析系统所测得的待测光源的相对光谱功率分布，λ₁～λ₂为所测辐射度量的波长范围。

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