CN101813520B - 一种二维光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维光谱测量装置，包括机壳，被测二维目标的被测量光束从镜头进入机壳内，并分别被机壳内的观察器和光谱仪接收；观察器用来对准被测目标和/或测量被测目标的图像亮度信息，光谱仪由狭缝、色散部件和二维多通道探测器组成，一次测量能够得到某一行/列中各点的光谱分布；在机壳内或者在机壳上设置扫描机构，使狭缝与被测二维目标像面产生相对位移，扫描机构和光谱仪相配合测得被测二维目标上各点的光谱分布、亮度、颜色等详尽光学参数；本发明的二维光谱测量装置操作简便、快速，重复性好，测量精度高，可测量参数齐全。

Description

一种二维光谱测量装置

【技术领域】

本发明涉及光辐射测量领域，具体涉及一种集图像和光谱测量为一体的光谱测量装置。

【背景技术】

亮度和颜色参数直接反应人眼对光的感知，在平板显示、照明工程和光源设计等领域有着十分广泛的应用。在平板显示等领域，需考察被测光源二维平面内每一点的亮度、色度等光色光谱信息，目前常用测量这些参数的设备包括瞄点式亮度计和图像式亮度计。瞄点式亮度计每次仅能对准测量一点的亮度和色度，测量整个二维平面的效率比较低。图像式亮度计能够通过一次成像测量二维平面内各点的亮度，但是现有图像式亮度计的色度一般是通过三刺激值法实现的：在图像式亮度计的阵列探测器前设置一组滤色片，使阵列探测器的整体相对光谱灵敏度与颜色三刺激值曲线x(λ)，y(λ)，z(λ)相匹配，通过测量光源的三刺激值X、Y、Z，并计算得到被测光的色品坐标、色温等色度参数。一方面该方法会存在探测器光谱失匹配误差，而且由于阵列探测器的面一个像元的相对光谱灵敏度都存在差异，这种差异会使探测器的光谱失匹配误差进一步加剧，导致最终测量精度不高；另一方面，该方法不能得到被测光源的光谱信息，因而不能对被测光源进行详尽的光色分析。

【发明内容】

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种能够精确且方便地测量被测二维目标各点的光谱功率、亮度、颜色等光色参数的二维光谱测量装置。

本发明通过以下技术方案实现：一种二维光谱测量装置，其特征在于包括机壳，在机壳上设置镜头，被测二维目标所发出的被测量光束从镜头进入机壳，并成像于机壳内；在机壳内设置观察器和光谱仪，所述光谱仪由狭缝、色散部件和二维多通道探测器，被测光从狭缝进入光谱仪内；由带缝的平面反射镜构成的狭缝或者在镜头后的光路上设置的分光器将从镜头出射的光至少分成两路，其中一路光束被所述观察器接收，另一路光束穿过狭缝进入光谱仪内被分光测量，狭缝位于被测二维目标的通过镜头所成像的像面位置上；在机壳内或者在机壳上还设置扫描机构，该扫描机构使狭缝与被测二维目标的像面产生相对位移。

本发明的技术方案中，被测二维目标通过镜头分别成像于光谱仪的狭缝和观察器。通过观察器观察和对准所需测量的二维区域，同时观察器还能起到辅助调节镜头焦距，使得狭缝和被测二维目标形成较好的光学成像共轭关系的目的。光谱仪测量被测二维目标各点的光谱和亮度、颜色等光学参数。光谱仪的狭缝位于被测二维目标的像面上，且仅使像面上的一部分光束通过，一般狭缝为矩形狭缝，因此被测二维目标中的仅有某一行/列或某一行/列的部分区域内的各点发出的被测光束通过镜头进入狭缝，光谱仪的色散部件将该行/列光源的光束沿与该行/列垂直的方向依光谱次序色散好，并将色散光投射到二维多通道探测器上。二维多通道探测器中的一维表示进入狭缝的被测二维目标的一行/列光源的各点，另一维表示某一点光源发出的光在不同波长的功率，即光谱。一次测量中，光谱仪能够测得被测二维目标某一行/列或某一行/列的部分区域上各点的发光光谱、亮度等参数。通过扫描机构的带动，被测二维目标的像面与狭缝发生相对移动，被测二维光源像面的各行/列都依次进入光谱仪进行分光测量。通过机壳中的微处理器或者上位机软件合成光谱仪的各次测量结果，即可得到被测二维目标上各点的被测光束光谱分布、亮度和颜色等完备的光学参数，并且操作方便，测量精确高。

本发明还可以通过以下技术方案进一步限定和完善：

上述的扫描机构与光谱仪相连的平移机构，平移机构驱动光谱仪发生平移，使光谱仪的狭缝在被测二维目标的像平面内移动，以使像平面内不同区域的光穿过狭缝进入光谱仪中测量。由于物象关系的存在，光谱仪相对机壳移动较小范围就能测量实际尺寸较大的被测二维目标的测量。该平移机构可设置在机壳内部，也可以设置在机壳的外部，所述的平移机构中具有电机或带减速器的电机以及电机驱动电路，电机驱动机构和上述的二维多通道探测器都与微处理器或者上位机或者通过微处理器与上位机电连接，由微处理器或者上位机控制所述平移机构和光谱仪的工作，并进行数据处理，合成光谱仪测得的被测二维目标各区域内各点的光谱分布，并通过计算求得被测二维目标上的每点在被测方向上的亮度、光谱辐亮度和颜色参数等完备的光学参数，并可进行任意子区域内的光学参数的分析比较。

或者上述的扫描机构是与机壳相连的转动平台，所述转动平台驱动机壳整体自转，使镜头逐次对准被测二维目标的不同区域，从而实现狭缝与被测二维目标像面产生相对位移。所述转动平台中具有电机或带减速器的电器以及电机驱动电路，电机驱动机构和光谱仪中的二维多通道探测器都与机壳中的微处理器或者上位机电连接，或者通过微处理器与上位机电连接，由微处理器或者上位机控制二者工作并进行数据处理，合成光谱仪测得的被测二维目标各区域内每点的光谱分布，并通过计算求得被测二维目标上的各点在被测方向上的亮度、光谱辐亮度和颜色参数等完备的光学参数，并可进行任意子区域内的光学参数的分析比较。

或者上述的扫描机构是在设置外壳内部的光学旋转镜，所述光学旋转镜位于镜头与狭缝之间的光路上，光学旋转镜通过旋转使被测二维目标的像在狭缝位置产生位移，狭缝逐次接收到来自被测二维目标各区域的光信号。所述的光学旋转镜包括电机或带减速器的电机以及电机驱动电路，光学旋转镜在电机驱动电路下绕旋转轴转动。电机驱动电路和光谱仪的二维多通道探测器都与机壳中的微处理器或上位机电连接，或者通过微处理器与上位机电连接，由微处理器或上位机控制光学旋转镜和光谱仪工作并进行数据处理，将测得的被测二维目标各部位的光学参数信息合成。在本技术方案中，镜头所成的被测二维目标的像可以是曲面的，刚好能保证在光学旋转镜的旋转过程中狭缝都处于像面位置，使测量更为精确。

上述从镜头到光谱仪和观察器的光路是通过以下方式安排：所述狭缝为带缝的平面反射镜，来自镜头的一部分光束穿过狭缝进入光谱仪内，而另一部分来自镜头的光束被狭缝的平面反射镜部分反射到观察器中。在本方案中，当扫描机构处于某一位置时，光谱仪仅测量被测二维目标的某一行/列或者某一行/列的一个区域的光谱和亮度等光学参数；反射镜将进入镜头的其它光束反射到的观察器，由于穿过狭缝的区域的光没有参与反射，观察器接收不到这部分光束，因此在观察器中，会呈现出有一个黑色狭缝型区域，该区域即为光谱仪此时所测量的区域。利用这一现象能够精确更为准确地得到本发明的二维光谱测量装置的测量状态。

镜头到光谱仪和观察器的光路通过也可以以下方式安排：上述的镜头和光谱仪的狭缝间的光路上设分光器。所述的分光器为部分透射部分反射的平面分光镜。当分光器为平面分光镜时，观察器和狭缝处于光学成像的共轭位置，二者都在被测二维目标通过镜头所成的像的像面位置。

或者所述的分光器为一个平面反射镜，该平面反射镜能够切入或切离光路，从而实现来自镜头的光束选择性地进入观察器或光谱仪。例如当平面反射镜被切入光路时，来自镜头的光束反射到观察器，通过观察器的观察对准被测二维目标；当平面反射镜被切离光路时，来自镜头的光束经过狭缝入射到光谱仪，由光谱仪与扫描机构相配合，测量被测二维目标每一点的光谱分布和亮度等齐全的光学参数。镜头到观察器的入光口或光接收器件和狭缝的光程相同，此时通过观察器调节焦距可以使被测二维目标的像落在狭缝处。

本发明的二维光谱测量装置中的观察器为目镜系统，人眼通过目镜系统观察被测二维目标的整体信息。

所述述的观察器也为二维光电探测器阵列，且该二维光电探测器阵列位于被测二维目标的像面位置上，所述被测二维目标的像面是指通过所述镜头成像的像面，也可以是指在所述二维光电探测器阵列再设置二次光学成像装置，被测二维目标通过镜头和二次光学成像装置所成的像面。在本技术方案中，二维光电探测器阵列的测量值可以直观地在数据输出设备，如在设置在外壳上的显示单元。

在上述镜头到观察器之间的光路上设置滤色片。如当观察器为二维光电探测器阵列时，所述的滤色片能够使二维光电探测器阵列的相对光谱灵敏度与人眼光视效率函数V(λ)或者其它规定函数相匹配，当二维光电探测器阵列的光谱灵敏度曲线与V(λ)函数匹配时，它可以实现图像式亮度计的测量功能，快速方便地测量被测二维目标的各点亮度和亮度分布。

本发明的二维光谱测量装置中设置有微处理器，上述的光谱仪和扫描机构的电机驱动电路都与微处理器电连接。在装置外壳上可设置显示单元，显示光谱仪以及其它器件，如二维光电探测器阵列作为观察器的测量结果。

本发明的二维光谱测量装置中的光谱仪波长测量范围是从紫外-可见-红外范围内的任意一个波段。光谱仪中的二维多通道探测器是二维光电电荷耦合器(CCD)或者光电二极管阵列或CMOS光电阵列。

综上所述，本发明的二维光谱测量装置通过具有二维多通道探测器的光谱仪和扫描机构相结合，能够方便、快速、精确地测量出被测二维目标各点的光谱分布、亮度和颜色参数等完备的光学参量；同时通过观察器的设置，能够使本发明的二维光谱测量装置准确对准被测目标，测量操作方便，重复性高。

【附图说明】

附图1为本发明的实施例1示意图；

附图2为本发明的实施例2示意图；

附图3为本发明的实施例3示意图；

附图4为本发明的实施例4示意图；

附图5为本发明的实施例5示意图；

附图6为本发明的实施例6示意图。

附图标记说明：1、机壳，2、镜头，3、观察器，3-1、光学反射镜，3-2、目镜，4、狭缝，5、色散部件，6、二维多通道探测器，7、光谱仪，8、控制平移机构，8-1、电机，8-2、电机驱动单元，9、人眼，10、微处理器，11、分光器，12、上位机，13、准直镜，14、会聚镜，15、滤色片，20、被测二维目标，一列光源21

【具体实施方式】

如图1到图6为本发明的几个实施例示意图。

实施例1

如图1所示，本实施例包括机壳1，在机壳1上设置镜头2，被测二维目标20的被测量光束从镜头2进入机壳1内。机壳1内设置有一个光谱仪7，光谱仪具有与水平方向成45度夹角的狭缝4，所述狭缝4是一个中间开矩形缝的发光镜。从镜头2入射的一部分光束穿过狭缝4进入光谱仪7内部进行分光测量，而另一部分光束则被反射到一个观察器3，所述的观察器3是目视系统3，所述目视系统3中还具有用以改变光路的光学反射镜3-1和目镜3-2，人眼9通过目视系统3被测二维目标20的像。在本实施例的光谱仪内设置色散部件5和二维多通道探测器6，所述二维多通道探测器6为面阵CCD 6，色散部件5是一个平场凹面光栅5，它接收穿过入射狭缝4的光束，将其色散并反射到面阵CCD 6上，面阵CCD 6的各个像元接收色散光。光谱仪7的波长测量范围为可见光范围。所述光谱仪7被整体放置在一个扫描机构8上，所述的扫描机构8是平移机构8，平移机构8与机壳1连接。平移机构8中具有电机8-1，电机驱动单元8-2与机壳中的微处理器10电连接，同时面阵CCD 6也与微处理器10电连接，微处理器10与上位机12电连接。

在测量被测二维目标20时，人眼9首先通过目视系统3观察和对准背侧二维目标20，并且调节镜头2焦距，使观察到的被测二维目标20的像最为清晰，此时，狭缝4位于被测二维目标20的像面上，形成光学成像共轭关系。狭缝4仅被测二维目标20的部分区域发出的光束进入光谱仪中，如图1所示，当光谱仪7位于某一位置时，被测二维目标20中仅一列光源21发出的光束经过镜头一起进入狭缝4，进入光谱仪7中，这束光被平场凹面光栅5沿垂直色散，其中每一点的光都沿水平方向依光谱次序被色散开，色散光又一起被反射到面阵CCD 6上，被面阵CCD 6的像元所接收。在面阵CCD 6上具有二维像元，其中的一维像元坐标(水平方向)与光的色散方向所对应，表示波长；而一维像元坐标(竖直方向)与进入狭缝4的发光列中每个点的位置相对应。此时，通过光谱仪7的测量，能够得到该列被测二维目标20中各点的光谱分布、亮度和颜色等光色参数。

微处理器10通过电机驱动单元8-2控制平移机构8带动整个光谱仪7在水平面内平移，平移中，狭缝4始终处于被测二维目标20的像面上，并与被测二维目标20的像发生相对位移，使被测二维目标20上各列的光束依次进入光谱仪进行分光测量得到光谱功率分布方向运动，扫描并测量被测二维目标20的每一列发光点。上位机12通过软件将被测二维目标20中各列的测量结果连接起来，得到被测二维目标各点的光谱功率，即二维光谱。根据二维光谱，上位机12可以进一步计算出被测二维目标各点的在测量方向上的亮度、色坐标以及光色均匀性等详尽的光色参数。

实施例2：

如图2所示，本实施例的基本结构与实施例1相似，但在本实施例中，所述的观察器3不是目视系统，而是一个二维观测CCD 3，即被狭缝反射的光束并不是进入目视系统由人眼观察，而是如图2所示，通过一个二次光学成像装置3-2进入一个二维观测CCD 3，二次光学成像装置3-2将成像于狭缝4的光再次成像到二维CCD 3上。所述二维观测CCD3和光谱仪7的二维多通道探测器6都与机壳1内的微处理器10电连接。同时在机壳1上还设置有一个显示屏13，显示屏也与微处理器10电连接。

与实施例1相似，本实施例的二维光谱测量装置在测量被测二维目标20时，首先对准和调焦。将显示屏切换到显示二维观测CCD 3测量结果的界面，对准并调节镜头焦距，使显示屏中显示出清晰的被测二维目标20的图像。将显示屏切换到显示光谱仪7测量结果的界面，按实施例1所述方法对被测二维目标20进行扫描光谱测量，并通过软件将各列测量结果连接起来，得到被测二维目标20各点的光谱分布、在测量方向的亮度、颜色等详尽的光学参数。

实施例3：

如图3所示，本实施例包括机壳1，在机壳1上设置镜头2，被测二维目标20的被测光束从镜头2进入机壳1内。在机壳1内镜头后的光路上设置一个分光器11，所述的分光器11是部分透射部分反射的平面分光镜11，所述平面分光镜11的反射光被一个观察器3接收，所述观察器3是二维观测CCD 3，平面分光镜11的透射光射向光谱仪7的竖直狭缝4。狭缝4和二维观测CCD 3都处于被测二维目标20经镜头成像的相面位置，成光学共轭关系。狭缝4仅使被测二维目标20中的一列光源所发出的光进入光谱仪7，光谱仪7内具有色散元件5和二维多通道探测器6，所述色散部件5是平场凹面光栅5，所述的二维多通道探测器6是面阵CCD 6。进入狭缝4的一列被测二维目标的光沿水平方向依光谱次序色散开并被面阵CCD 6接收，面阵CCD 6的一维像元坐标与波长对应，另一维像元坐标与被测列的各点对应。所述光谱仪7被放置在一个扫描机构8上，所述的扫描机构8是平移机构8，平移机构8使光谱仪在水平方向上平移，保持狭缝4始终位于像面上。二维观测CCD 3、光谱仪7中的和平移机构的电机驱动电路8-2都与机壳1中的微处理器10电连接，微处理器10与上位机12电连接，有上位机12实现本实施例的二维光谱测量装置的控制和结果计算。

本实施例的二维光谱测量装置的测量方法与实施例2相似，但本实施例的测量结果是通过上位机显示的。首先通过上位机显示二维观测CCD 3测量结果，对准被测二维目标20，并调节镜头焦距；然后利用光谱仪7和平移机构8测量被测二维目标20各列中每一点的光谱分布；在上位机中，通过软件将每次测量结果连接起来，得到被测二维目标20上各点的光谱分布、在测量方向的亮度、颜色等详尽的光学参数。

实施例4：

如图4所示，本实施例包括机壳1，被测二维目标20的被测光束从镜头2进入机壳1内。在机壳1内镜头后的光路上设置一个分光器11，所述的分光器11是一个可移动反光镜11，该可移动反光镜11可以被切入或切出光路。当可移动反光镜11被切入光路时，来自镜头2的光束被反射到一个观察器3上，所述的观察器3是二维观测CCD 3；而当可移动反光镜11被切离光路(如图4中的虚线部分所示)时，来自镜头2入射到光谱仪7的狭缝4所在平面，此时狭缝4位于和被测二维目标20经镜头成像的像面，狭缝4和二维观测CCD 3成光学共轭关系。狭缝4仅使被测二维目标20中的一列光源所发出的光进入光谱仪7，光谱仪7内具有色散部件5和二维多通道探测器6，能够测量某一列被测二维目标20中各点的光谱分布和亮度等参数。所述光谱仪7被放置在一个扫描机构8上，所述的扫描机构8是平移机构8，平移机构使光谱仪在水平方向上平移，并保持狭缝4始终位于像面上。二维观测CCD 3、光谱仪7中的二维多通道探测器6和平移机构的电机驱动电路8-2都与机壳1中的微处理器10电连接，在机壳上设置显示屏13，显示屏13也与微处理器10电连接，显示二维观测CCD 3测得的被测二维目标20图像和光谱仪测量的被测二维目标20上各点的光谱分布、在测量方向的亮度、颜色等光学参数。

本实施例的二维光谱测量装置的测量方法与实施例2相似。

实施例5：

如图5所示，本实施例的结构与实施例2相似，但在本实施例中，在机壳1内部并不设置平移机构，而在机壳1外部设置扫描机构8，所述扫描机构8是转动平台8，如图5所示，整个机壳1放置在转动平台8，转动平台在电机8-1的驱动下绕旋转轴转动，从而使镜头对准被测二维目标20的不同区域，通过这种方法来实现被测二维目标20的像与光谱仪7的狭缝4产生相对位移，从而扫描测量被测二维目标20各列中每一电的光谱分布和亮度。此外在本实施例中的观察器3是一个二维观测CCD3，二维观测CCD 3前设置有滤色片15，使二维观测CCD 3对入射镜头的光响应的相对灵敏度与人眼视效率函数V(λ)相匹配，即本实施例中的二维观测CCD 3能够提供被测二维目标的图像亮度。本实施例中，在机壳1上设置显示屏13，显示屏13，二维观测CCD 3以及光谱仪中的二维多通道探测器6都与机壳1中的微处理器10电连接，可以通过微处理器10将二维观测CCD 3和光谱仪7的测量结果在显示屏13上显示出来。微处理器10与上位机12电连接，同时转动平台8的电机驱动机构8-2也与上位机电连接，通过上位机控制转动平台8的转动，并通过软件将各列测量结果连接起来，得到被测二维目标20各点的光谱分布、在测量方向的亮度、颜色等详尽的光学参数。

实施例6：

如图6所示，本实施例包括外壳1，被测二维目标20的被测光束从镜头2进入外壳1内部。在镜头后的光路中设置分光器11，所述的分光器11是一个半透半反镜11，被半透半反镜11反射的光束入射到一个观察器3上，所述观察器是二维观测CCD 3；被半透半反镜11透射的光束入射到一个扫描机构8上，本实施例所述扫描机构8是光学旋转镜8，被光学旋转镜8反射到光谱仪7的狭缝4所在的平面，二维观测CCD 3和狭缝4都位于被侧二维目标20经过镜头的像面上。本实施例中的二维观测CCD 3前设置有滤色片15，使二维观测CCD 3对入射镜头的光响应的相对灵敏度与人眼视效率函数V(λ)相匹配，即本实施例中的二维观测CCD 3能够提供被测二维目标的图像亮度。本实施例中的光谱仪中具有准直镜13、色散部件5、二维多通道探测器6，所述二维多通道探测器6是二维面阵CCD6。在光学旋转镜8处于某一角度时，被测二维目标中仅有某一行光源的被测光束穿过狭缝进入光谱仪中，光谱仪将各点的光依光谱次序色散，并用二维面阵CCD 6测量色散光，二维面阵CCD 6中，一维CCD像元坐标对应与波长，另一维CCD像元坐标对应与所测该行被侧二维目标20上的各点，因此光谱仪一次测量能够得到某一行被侧二维目标20中各点的光谱分布和亮度，通过光学旋转镜的转动，实现被侧二维目标20的像与狭缝4发生位移，狭缝4能够接受到各行的被侧二维目标20所发出的光束。

本实施例的测量方法与上述几个实施例相似，通过二维观测CCD 3的测量结果对准被测二维目标20，调节焦距；光谱仪7和光学旋转镜8相结合测量被测二维目标20各行中每点的光谱分布，有上位机将这些测量结果连接起来，得到被测二维目标20上每一点的光谱分布、亮度、颜色等详尽的光学参数。

Claims (4)

1.一种二维光谱测量装置，包括机壳(1)，在机壳(1)上设置镜头(2)，被测二维目标(20)所发出的被测光束从镜头(2)进入机壳(1)，并成像于机壳(1)内，其特征在于：在机壳(1)内设置观察器(3)和由狭缝(4)、色散部件(5)和二维多通道探测器(6)组成的光谱仪(7)；所述的狭缝(4)为带矩形狭缝的平面反射镜，从镜头(2)出射的光被所述的狭缝(4)分成至少两路，来自镜头(2)的一部分光束穿过狭缝(4)进入光谱仪(7)内，来自镜头(2)的另一部分光束被反射到观察器(3)；狭缝(4)位于被测二维目标(20)的像面位置，在机壳(1)内或者在机壳(1)上设置使狭缝(4)与被测二维目标(20)像面产生相对位移的扫描机构(8)；所述的扫描机构(8)是与光谱仪(7)相连并驱动光谱仪(7)平移的平移机构，或者所述的扫描机构(8)是一个驱动机壳(1)整体转动的转动机构，或者所述的扫描机构(8)是一个位于镜头(2)与狭缝(4)间光路上的光学旋转镜。

2.根据权利要求1所述的二维光谱测量装置，其特征在于所述的观察器(3)为光学目镜系统。

3.根据权利要求1所述的二维光谱测量装置，其特征在于所述的观察器(3)为二维光电探测器阵列，且该二维光电探测器阵列位于被测二维目标(20)的像面位置上。

4.根据权利要求1或2或3所述的二维光谱测量装置，其特征在于在所述的镜头(2)到观察器(3)之间的光路上设置滤色片(15)。

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