CN101782428A - 光谱自校正光度计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱自校正光度计及其测量方法，包括入光口、光学分光镜、光谱仪和具有滤色片的硅光电池，光学分光镜将被测光按固定比例至少分成两束，一部分光束被光谱仪接收，另一部分光束被硅光电池接收，二者同时测得同一束被测光。本发明的光谱自校正光度计能大幅减小由光谱失匹配带来的误差，对被测光的光谱依赖性小，且克服了由被测光源的空间光谱功率分布不一致和发光随时间变化等带来的问题，测量的系统误差和随机误差都相对较小，测量重复性高；利用绝对光谱辐射计作为标准源定标本发明的光谱自校正光度计，光辐射度的绝对量值传递链很短，光谱自校正光度计具有较高精度和可靠性的绝对量值，可应用于各种光辐射测量系统，测量多种重要的光辐射参数。

Description

光谱自校正光度计及其测量方法

【技术领域】

本发明涉及一种测量光度、辐射度或/和色度量的仪器，尤其涉及一种光谱自校正光度计。

【背景技术】

光(辐射)度量包括光(辐射)通量、(辐射)照度、(辐射)光强、(辐射)亮度等，以及色度量，是评价光源、照明现场等十分重要的量值。其中光度量考虑了人眼对光辐射的响应，是光谱辐射功率与V(λ)函数的加权积分值，V(λ)函数是国际照明委员会(CIE)标准光谱视效率函数。光度量中的光强单位“坎德拉”是七个国际基本单位之一。辐射度量是光谱辐射功率直接积分或与其它相应函数加权积分的量值，而色度量是通过相对光谱辐射功率与CIE色度三刺激值函数加权积分计算的。光度量、辐射度量以及色度量的测量方法基本类似，下文以光度量测量加以说明。

光度计是测量光度量的最常用和最基本的仪器，在光度计的光电传感器件前安置滤光片使光度计的光谱灵敏度曲线与V(λ)函数曲线相匹配，从而使光电传感器件在接收待测光时所产生的电信号与待测光的光度量成正比，这种光度测量方法也可称作“积分法”。光度计的V(λ)匹配程度是影响积分法测量精度的最关键因素之一，CIE用f₁’来表示光度计的失匹配程度。然而V(λ)匹配对工艺的要求极高，实施成本较大，目前仅有3家德国公司能提供高精度的光度探计(CIE Class L，f₁’＜1.5％)。而且在光度计的实际测量中，光度计的测量精度对被测光的光谱具有较强的依赖性，若被测光源与定标光源的光谱相差较大，则即便是高精度光度探计，由光谱失匹配带来的误差也可能会有10％以上。

除了光度计之外，也可以使用光谱仪通过“分光法”来测量光度量。由光谱仪测得待测光的绝对光谱功率分布，与V(λ)函数加权后得到相应的光度量。分光法不存在V(λ)失匹配问题，但该方法的缺点在于：造价高、量值传递链长且光谱仪的光电传感器件的线性动态范围一般较窄，存在非线性问题，此外光电传感器件的稳定度以及光谱仪内部的杂散光等因素也会影响其测量精度。

利用光谱仪测量待测光的相对光谱功率分布、并利用已知的光度计的相对光谱灵敏度计算光谱校正值，并用该校正值校正光度计的测量值是比较好的光度方法。然而，该方法一般通过标准灯分别定标光谱仪和光度计，量值传递链较长，每次量值传递中都不可避免地存在各种不确定因素，因此影响最终测量结果的不确定因素很多，导致最终的测量精度不够高。

同时，现有的实现光谱校正的光度测量装置还存在以下问题：

在多数情况下，光度计和光谱仪往往采用不同的光学几何装置定标和测量，如使用光强测量仪测量光源光强，而使用积分球系统测量光源的相对光谱功率分布，该测量方法不适用于光谱功率分布会因时间或空间角度的不同而发生变化的被测光源；测量其它一般光源时也因为测量几何的不同而存在较大的随机误差和系统误差；并且测量耗时、操作很不方便；

远方公司发明的分光-积分相结合的光谱仪配备有参考光度探头，光度探头和光谱仪取样端(一般为光纤)在同一个测量几何装置的两个光信号采集窗口同时采样，这虽然能部分降低上述测量误差，但一方面两个信号采集窗口会增加系统误差因素，如杂散光，采样对准，积分球系统中多窗口对光学几何的影响等；另一方面该方法不适用于空间各方向光谱不同的光源(如LED、显示屏等)；事实上在很多情况下，无法在测量几何装置开设两个采样窗口，因此也就无法在同一个几何装置上测量。

【发明内容】

为了克服现有光辐射度量测量中的上述缺陷，本发明旨在提供一种光谱自校正光度计及其测量方法，能够大幅度减小光辐射测量中的量值传递误差、对被测光源的光谱依赖性以及线性误差等其它各类系统误差和随机误差，且克服了由被测光源的空间光谱功率分布不均匀和发光随时间变化等带来的问题，具有很高的测量精度，且操作方便，易于实现，可应用于各种光度系统中。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，即：光谱自校正光度计，其特征在于包括入光口、光学分光镜、光谱仪、硅光电池和信号处理与输出单元；

光学分光镜位于入光口后，被测光束经入光口入射到光学分光镜，光谱仪的取样部件和硅光电池分别位于光学分光镜的两个出射光束光路中；

硅光电池的感光面前设置有滤色片，滤色片使硅光电池对入射入光口的被测光束响应的相对光谱灵敏度曲线与特定的光谱效能函数相匹配；

处理光谱仪和硅光电池的测量信号并输出测量结果的信号处理与输出单元电连接光谱仪和硅光电池。

利用该光谱自校正光度计可实现绝对光辐射度量的测量，其步骤如下：

a.经绝对辐射计定标后的硅光电池与光谱仪同时测量入射入光口的被测光束，得到待测光源的相对光谱功率分布和硅光电池的响应光电流，并将结果输入信号处理与输出单元；

b.信号处理与输出单元根据步骤a的结果按下式计算出被测光束的光辐射度：

$G_T=\frac{M\·I}{K_d}\·\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{P}_T^t\left(\mathrm{\λ}\right)\·X\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{P}_T^t\left(\mathrm{\λ}\right)\·S_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(1\right)$

式中，I为硅光电池对被测光束的响应光电流，P^t _T(λ)为光谱仪测得的被测光的相对光谱功率分布，X(λ)为特定光谱效能函数，也即硅光电池对被测光束响应的相对光谱灵敏度需与之相匹配的光谱函数，M为光谱效能函数的单位转换系数，M^*X(λ)为特定绝对光谱效能函数，λ₁～λ2是相应光辐射度量对应的波长范围；S_rel(λ)为硅光电池对被测光束响应的相对光谱灵敏度，K_d为硅光电池对被测光束响应的绝对光谱灵敏度的最大值。

在式(1)中，

实际上是对硅光电池所测的结果的修正，相当于硅光电池利用光谱仪的测量值，实现对被测光束的自定标大幅降低了由S_rel(λ)与X(λ)的是匹配带来的误差。在本发明的光谱自校正光度计中，硅光电池和光谱仪同时测量同一束待测光，硅光电池的滤色片光谱修正和光谱仪的测量精度本身都不需要很高，但二者相结合后的光辐射度精度却能很高，对被测光源的光谱依赖性很小。

与多测量几何、多光信号采样窗口的测量方案相比，由光源不稳定、光源空间光谱不均匀、仪器状态不稳定、仪器对准等带来的系统误差和随机误差大大减小，测量重复性高，且测量方便省时，单个光信号采集窗口的设计使光谱自校正光度计几乎适用于任何光度系统。

而且在使用本发明的光谱自校正光度计测量时，只需定标硅光电池对被测光束响应的绝对光谱灵敏度和光谱仪的相对光谱响应，绝对量值的传递无需使用标准灯，而可直接溯源至国家实验室的绝对辐射计，量值传递链较短，避免了长量值传递链中的诸多不确定因素。

上述的分布光度计可以通过下一方案进一步限定和完善：

上述的硅光电池前的滤色片使硅光电池对入射入光口的被测光束响应的相对光谱灵敏度与V(λ)曲线相匹配，即从入光口经过光学分光镜、滤色片等光学元件后，各元件对入射光光谱成分变化的贡献与硅光电池光谱灵敏度的乘积经归一化后与V(λ)函数相匹配，此时光谱自校正光度计测量的是光度量。

上述的硅光电池前的滤色片使硅光电池对入射入光口的被测光束响应的相对光谱灵敏度与平坦的直线相匹配，此时光谱自校正光度计测量的是宽带辐射度量。

上述的硅光电池前的滤色片也使硅光电池对入射入光口的被测光束响应的与CIE色度光谱三刺激值曲线相匹配的滤色片，在光谱自校正光度计中共有三块或四块带滤色片的硅光电池，分别测量各个刺激值，光谱自校正光度计测量的是色度量。

上述的硅光电池对被测光束响应的光谱灵敏度也可与其它光谱函数相匹配，测量指定辐射度量，本处不再一一赘述。

上述的光学分光镜是立方半透半反镜，即光学分光镜由两块直角棱镜组成、其中一块的斜面上镀半透半反膜。在该方案中，光学分光镜的光束入射面对准入光口，光学分光镜具有两个光束出射面，分别为透射出射面和反射出射面。

上述的光信号采集装置的入光口前端设置有光学漫反射器。

上述光谱仪的取样部件和光学分光镜之间设置有光学漫反射器。

上述的光谱仪是具有多通道阵列探测器的光谱仪。该类光谱仪一般具有毫秒级的测量速度，一方面能进一步提高本发明的光谱自校正光度计的测量速度；另一方面瞬态测量更能适应发光随时间变化的被测光源。

在光学分光镜是立方形的半透半反镜方案中，反射出射面对面的一个面也可以作为光束入射面，称为备用光束入射面，从备用光束入射面入射到光学分光镜的光束也按固定比例地被分成两束，从透射出射面和反射出射面后射出。因此在备用光束入射面前设置备用入光口，备用入光口是可遮蔽的，在不使用时处于遮蔽状态。备用光束入光口可用于校准光信号采集装置，使标准灯的光束从备用光束入光口进入光学分光镜后分别被光谱仪和硅光电池接收和测量。标准灯可固定设置在备用入光口前，位于光学分光镜中心和备用入光口中心的延长线上。

上述入光口可视作限制光阑。例如在使用本发明的光谱自校正光度计测量LED的平均光强时，入光口的口径面积为1cm²。

在上述光谱自校正光度计的测量方法中，可采用标准光源对光谱自校正光度计定标，也可采用绝对光谱响应量值的绝对辐射计作为标准源利用替代法定标使用光谱自校正光度计的绝对值：在相同的条件下，具有绝对辐射计和光谱自校正光度计先后测量同一束单色光，硅光电池对单色光的响应光电流与绝对辐射计测得的单色光的功率相比，以一定的波长间隔测量所需光谱范围内的各个单色光，得到硅光电池对被测光响应的绝对光谱灵敏度。

绝对辐射计可以为国家计量实验室实现量值基准的辐射计或者直接溯源于该基准，经过这样的定标方法，整个光谱自校正光度计的量值传递过程很短，距国家最基准量值仅两步。而如使用标准灯定标，由于标准灯量值就是由基准辐射计经众多传递过程而得到的，在量值传递过程中的误差因素不可避免，因此最后总的测量精度也会受到很大的影响。

在上述光谱自校正光度计的测量方法中，滤色片使硅光电池对进入光学分光镜前的入射光的光谱灵敏度与V(λ)曲线相匹配，式(1)中的X(λ)为V(λ)，M为683，λ₁为380nm，λ₂为780nm。

根据以上所述，本发明具有光学分光镜使带滤色片的硅光电池和光谱仪同时测量同一束待测光，硅光电池的光谱修正和光谱仪本身的精度都无需很高，就可大幅减小由光谱失匹配带来的误差，且单个光信号采集窗口使整个测量的系统误差和随机误差都较小，操作方便省时，重复性高，几乎可与任何光度系统相配合使用；同时光谱自校正光度计可直接溯源于绝对光谱辐射计，无需标准灯就能实现光辐射度量的绝对测量，大大减小了量值传递中的误差。

【附图说明】

附图1是本发明的光谱自校正光度计的一个实施例的示意图；

附图2是本发明的光谱自校正光度计的另一个实施例的示意图；

附图3是本发明的光谱自校正光度计定标的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图的实施例对本发明作进一步具体说明：

如图1所示的光谱自校正光度计的示意图，包括入光口7、光学分光镜1、光谱仪2、硅光电池3和信号处理与输出单元4。光学分光镜1位于入光口7后，被测光束经入光口7后入射到光学分光镜1，光谱仪2的取样部件6和硅光电池3分别位于光学分光镜1的两个出射光束光路中。硅光电池3前设置有滤色片5，使硅光电池3对的入射入光口的被测光束的响应的光谱灵敏度与特定曲线相匹配，取样部件6到光学分光镜1之间设置还有漫射器8。信号处理与输出单元4用于处理光谱仪2和硅光电池3的测量信号并输出测量结果，它与光谱仪2和硅光电池3电连接。

光学分光镜1为半透半反镜，被测光束从入光口7进入光学分光镜1，被测光束的光轴与光学分光镜1的反射面成45°夹角。被测光束被光学分光镜1按固定比例分成两束，光谱仪2的取样部件6设置在反射光束光路中；硅光电池3的感光面设置在透射光束光路中，硅光电池3前的滤色片5使硅光电池3对入射入光口的光束的相对光谱响应度与V(λ)函数相匹配，并且硅光电池3与其电子单元9相连。

在图2中的所示的实施例中，在入光口前安装漫射器10，同时光学分光镜1为立方半透半反镜，即光学分光镜由两块直角棱镜组成、其中一块的斜面上镀半透半反膜。光学分光镜1的光束入射面对准入光口7，光学分光镜1具有两个光束出射面，分别为透射出射面和反射出射面。硅光电池3的感光面设置在透射出射面后，硅光电池3前的滤色片5使硅光电池3对入射入光口的光束的相对光谱响应度与V(λ)函数相匹配，并且硅光电池3与其电子单元9相连。而在反射出射面后设置作为漫射器8的积分球，积分球收集的光束经光纤6输入到光谱辐射计2，进行被测光的光谱测量。光谱辐射计2和硅光电池3的电子单元9与信号处理与输出单元4连接。同时在光学分光镜1的反射出射面后具有备用光束入射面，在备用光束入射面前设置可遮蔽的备用入光口20，在光学分光镜1与备用入光口20的延长线上设置标准灯21，用于校准反射光束和透射光束的比例。

光谱自校正光度计按图3所示的替代法定标，一具有全光谱的光源11与双单色仪12相结合产生单色光，该单色光先后被光谱自校正光度计13和绝对辐射计14所接收，绝对辐射计14的绝对光谱灵敏度是已知的，同时有参考通道15的探测器监视单色光的稳定度。光谱自校正光度计13中的硅光电池3对单色光响应的光电流与绝对辐射计14所测单色光的功率相比，经过双单色仪12在全光谱范围内的扫描，得到硅光电池对被测光的绝对光谱灵敏度，光谱自校正光度计13中的光谱仪2使用常规的标准灯定标其相对光谱。

光谱自校正光度计定标后，可直接测量被测光源的光度量。被测光束进入入光口7后，光谱仪2测量被测光束的相对光谱功率分布，同时测得硅光电池3对被测光束的响应。光谱仪2和硅光电池3的电子单元9将测量结果输入到信号处理与输出单元4，在信号处理与输出单元4中通过下式计算得到本次测量的光度量：

$G_T=\frac{683\·I}{K_d}\·\frac{{\∫}_{880}^{780}{P}_T^t\left(\mathrm{\λ}\right)\·V\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{880}^{780}{P}_T^t\left(\mathrm{\λ}\right)\·S_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

其中，I为硅光电池对被测光束的响应光电流，P^t _T(λ)为光谱仪测得的被测光的相对光谱功率分布，S_rel(λ)为硅光电池对被测光束响应的相对光谱灵敏度，K_d为硅光电池对被测光束响应的绝对光谱灵敏度的最大值。

Claims (9)

1.光谱自校正光度计，其特征在于包括入光口(7)、光学分光镜(1)、光谱仪(2)、硅光电池(3)和信号处理与输出单元(4)；

光学分光镜(1)位于入光口(7)后，被测光束经入光口(7)入射到光学分光镜(1)，光谱仪(2)的取样部件(6)和硅光电池(3)分别位于光学分光镜(1)的两个出射光束光路中；

硅光电池(3)的感光面前设置有使硅光电池(3)对入射入光口(7)的被测光束产生响应的相对光谱灵敏度曲线与特定光谱效能函数相匹配的滤色片(5)；

处理光谱仪(2)和硅光电池(3)的测量信号并输出测量结果的信号处理与输出单元(4)电连接光谱仪(2)和硅光电池(3)。

2.根据权利要求1所述的光谱自校正光度计，其特征在于所述的滤色片(5)是使硅光电池(3)对被测光束响应的相对光谱灵敏度曲线与V(λ)曲线或平坦的直线或CIE色度光谱三刺激值函数相匹配的滤色片(5)。

3.根据权利要求1或2所述的光谱自校正光度计，其特征在于所述的光学分光镜(1)是由两块直角棱镜组成且两棱镜相粘接的面上镀半透半反膜的立方半透半反镜。

4.根据权利要求1或2所述的光谱自校正光度计，其特征在于入光口(7)前设置有漫射器(10)。

5.根据权利要求1或2所述的光谱自校正光度计，其特征在于所述的光学分光镜(1)与光谱仪(2)的取样部件(6)之间设置有漫射器(8)。

6.根据权利要求1或2所述的光谱自校正光度计，其特征在于所述的光谱仪(2)是具有多通道阵列探测器的光谱仪。

7.根据权利要求6所述的光谱自校正光度计，其特征在于光学分光镜(1)的反射出射面对面具有备用光束入射面，在备用光束入射面前设置可遮蔽的备用入光口(20)，在光学分光镜(1)中心到备用入光口中心的延长线上设置有标准灯(21)。

8.一种光谱自校正光度计的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

a.光谱仪(2)和对被测光束绝对灵敏度已知的硅光电池(3)同时测量入射入光口(7)的被测光束，得到硅光电池(3)的响应光电流和待测光源的相对光谱功率分布，并将结果输入信号处理与输出单元(4)；

b.信号处理与输出单元(4)根据步骤a的结果按下式计算出被测光束的光辐射度：

$G_T=\frac{M\·I}{K_d}\·\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{P}_T^t\left(\mathrm{\λ}\right)\·X\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{P}_T^t\left(\mathrm{\λ}\right)\·S_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

式中，I为硅光电池(3)对被测光束的响应光电流，P^t _T(λ)为光谱仪(2)测得的被测光的相对光谱功率分布，X(λ)为特定光谱效能函数，即硅光电池(3)对被测光束响应的光谱灵敏度需与之相匹配的光谱效能函数，M为光谱效能函数的单位转换系数，M*X(λ)为特定绝对光谱效能函数，λ₁～λ₂是相应光辐射度量对应的波长范围；S_rel(λ)为硅光电池(3)对被测光束响应的归一化相对光谱灵敏度，K_d为硅光电池(3)对被测光束响应的绝对光谱灵敏度的最大值。

9.根据权利要求8所述的光谱自校正光度计的测量方法，其特征在于在测量被测光束的光度量时，所述的X(λ)为V(λ)，M为683，λ₁为380nm，λ₂为780nm。

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