CN102589697B - 一种空间光谱辐射测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光谱辐射测量方法，包括被测光源，光谱仪和旋转台，测量时，旋转台带动光谱仪绕被测光源作相对连续转动，同时光谱仪同步地采集和测量被测光源的光信号。本空间光谱辐射测量方法，利用相对连续旋转和同步采样测量的方法替代了传统“间隔转停”的测量方法，同时根据被测光源光强或颜色的变化情况来调节光谱仪的采集数据量，既提高了测试速度，也保证了测量准确度，具有机械稳定度高、测量时间短、准确度高、可靠性和稳定性好等特点。

Description

一种空间光谱辐射测量方法

技术领域

本发明属于光辐射测量领域，具体涉及一种空间光谱辐射测量方法。 

背景技术

分布光谱辐射计由旋转台和光谱仪构成，主要用于测量光源或灯具的空间颜色分布。近年来LED产业迅猛发展，然而，LED产品存在着光色分布不均匀的现象，严重影响了产品性能及其推广应用，因此对于LED产品，必须用分布光谱辐射计来准确测量其空间光谱分布，分布光谱辐射计在半导体照明产品的检测中发挥着越来越重要的作用。 

现有利用分布光谱辐射计测量光源或灯具的空间光谱辐射的方法，都是采用“间隔转停”模式，即在一定的空间角度范围内，光谱仪在某个角度上停顿一段时间测量被测光源的光谱；再转过一定的角度间隔，在该角度上停顿一段时间测量光谱；依此类推。每次转过一定的角度间隔并停止测量光谱，直至完成整个待测角度范围的测量。这种测量方法光谱仪需要多次启动和停止，机械上很难对启动和停止时的位置进行精确定位，因此测量角度准确度较低，并且长期重复性难以保证；由于该方法采用“转停”模式，整个测量过程耗时长，特别是在角度间隔取得较小的时候，测量时间甚至长达十几个小时、几十个小时，不能满足某些需要进行大量多次试验的实验室的快速测量要求。另外，传统的“间隔转停”模式只能采集和测量空间角度范围内某些离散点的光色信息，而不能对其他角度上的光色信息进行采样测量，导致采用该模式的测量结果不能真实反映被测光源的光色分布，测量误差大；而且目前“间隔转停”模式一般采用等角度间隔的取样方法，这种取样方法极容易导致测量误差更大，特别是对于某些光色分布不均匀的光源，这是由于LED等光色分布不均匀的光强，在某些局部区域内光强或颜色变化非常快，等间隔的取样方法特别容易丢失上述区域内的大量光色信息，导致测量误差进一步增大。此外，在传统的测量方法中，角度和光谱值是分别传输到上位机上进行处理的，如果在旋转台某些角度上的测试数据由于人为、环境等因素的改变而缺失或者不准确，整个测试数据的次序将被打乱，导致测试结果完全不可用。 

发明内容

为克服传统测量方法的缺陷，本发明旨在提供一种相对连续旋转和同步采样测量的空间光谱辐射测量方法，具有机械稳定度高、耗时短、测量准确度高、可靠性和稳定性好等特点。 

本发明公开了一种空间光谱辐射测量方法，包括被测光源、光谱仪和旋转台，光谱仪获取被测光源的光谱，其特征在于，在旋转台的带动下，所述的光谱仪绕被测光源作相对连续转动，旋转台获取相对转动的角度信息，同时光谱仪同步地采集和测量被测光源的光信号。 

在测量过程中，旋转台的连续旋转与光谱仪的采集和测量光信号保持同步，旋转台带动光谱仪和被测光源相对连续转动并获取相对连续转动角度信息，光谱仪同步地采集和测量被测光源的光信号，实现被测光源光谱特性和色度参数的测量，如平均色度特性、空间颜色不均匀性等。相比于传统分布光谱辐射计的 “间隔转停”的离散测量模式，由于旋转台带动光谱仪绕被测光源作相对连续转动，整个测量装置不需要多次启动和停止，机械自身稳定度高；同时大幅缩短了测量时间，提高了测试效率。 

在利用分布光谱辐射计测量空间光谱辐射分布时，传统的“间隔转停”模式（图1中离散点表示的测量模式）仅能测量某些离散点的光谱值，而角度间隔内其他点的光谱值均不能被测量，一般将角度间隔内其他点的光谱值都用前一个离散点上测得的光谱值替代，这种数据处理方法误差较大，特别对于某些光色分布不均匀的光源测量误差更大。而本发明（图1中连续曲线表示的测量模式）中，光谱仪对被测光源空间角度范围内的光色信息连续采样测量，光谱仪每次积分获取的是一段角度范围内的光信号，该模式测得的光谱数据齐全，可准确反映整个被测光源的空间光谱分布。因此，相比于传统的“间隔转停”离散测量模式，利用本发明的相对连续旋转和同步采样方法得到的空间光谱分布更为准确，测量结果准确度高。 

本发明还可以通过以下技术方案进一步限定和完善。 

作为优选，包括与旋转台和光谱仪均电连接的控制中心；测量过程中，旋转台将相对转动角度信息发送至光谱仪，光谱仪将角度和光谱值相对应的二维信号输出至控制中心；或者旋转台将相对转动角度信息、光谱仪将光谱值分别发送至控制中心，，控制中心接收角度和光谱值相对应的二维信号。上述技术方案保证了角度和光谱数据的严格对应，克服了传统测量方法的缺陷，即使旋转台某些角度上的测试数据缺失或者不准确，也不会影响其他位置上测试数据的准确性，测量结束后，测试人员可以根据被测光源的发光特性采用插值或者其他方法拟合上述缺失位置的数据，大幅提高测试数据的可靠性和准确性。 

作为优选，测量时，旋转台连续转动，控制中心发出与旋转台连续转动相同步的脉冲信号、并将该脉冲信号发送至光谱仪，光谱仪在同步脉冲信号的驱动下采集和测量被测光源的光信号。在实现上述技术方案的过程中，旋转台在控制中心的控制下连续转动，或者旋转台外接一控制器，控制器控制旋转台的连续转动。 

作为一种技术方案，通过控制同步脉冲信号来控制光谱仪的工作状态。具体地讲，所述的同步脉冲信号仅控制光谱仪的开启，光谱仪到达预设的积分时间后自动关闭；或者所述的同步脉冲信号控制光谱仪的开启和关闭，光谱仪的积分时间为开启和关闭之间的脉冲间隔。例如，所述的同步脉冲信号为单次脉冲，待光谱仪达到预设的积分时间后自动关闭，如图2和3所示；或者光谱仪每次工作通过两次脉冲来控制，第一个脉冲开启积分，第二个脉冲关闭积分，例如所述的同步脉冲信号为矩形脉冲信号，光谱仪的每次开启通过矩形脉冲信号的上升沿触发，通过矩形脉冲信号的下降沿触发来关闭光谱仪，如图4和5所示。 

对于光色分布均匀的被测光源，在待测角度范围内，光谱仪连续均匀地采集光谱数据对测量结果的准确度影响不大；但是对于LED等光色分布不均匀的被测光源，在待测角度范围内，光谱仪连续均匀地采集数据将带来较大的测量误差，特别是对于局部光强或颜色变化较快的光源，不仅测量误差大，且测试速度也较慢。这是由于对于光色分布不均匀的光源，均匀采集光谱数据不能准确地反映其光色分布，只有在其光强或颜色变化较快的区域，增加光谱的采集数据量，在光强或颜色变化较慢的区域，减小光谱的采集数据量，才能保证测量准确度。 

作为一种技术方案，测量时，在被测光源的光强或颜色变化较快的角度范围内，减小光谱仪的积分时间，增加光谱仪的采集数据量，保证了该区域光色测量的准确性；在被测光源的光强或颜色变化较慢的角度范围内，增大光谱仪的积分时间，减小光谱仪的采集数据量，这些变化缓慢的角度内的测量结果对整个空间光谱分布影响较小，减少其采集数据量不会对测量结果造成太大影响，上述方法保证了光谱仪采集数据的合理分布，提高了测量准确度。其中，被测光源的光强或颜色变化的情况可通过对光强或颜色进行二次求导进行，通过比较二次导数值（即等光强变化梯度图）即可判断其变化情况。例如，在整个测量过程中，在5°~10°的范围内，被测光源的光强或颜色变化剧烈，光谱仪的积分时间可取为10ms或者更小；在10°~15°的范围内，被测光源的光强变化缓慢，光谱仪在该角度范围内的积分时间可取为50ms或者更大。 

在测量过程中，如果被测光源在空间角度范围内光色分布均匀，同步脉冲信号的脉冲间隔可以是相等的，即在测量过程中保持脉冲间隔不变，如图2和4所示的在0°~25°的测量角度范围内，保持相同的脉冲间隔，其采集的光谱值也是均匀分布的。如果被测光源在空间角度范围内光色分布不均匀，所述的同步脉冲信号则取为非等间隔的，其采集的光谱数据量也是改变的，如图3和5所示的在0°~25°的测量角度范围内被测光源的光强或颜色变化越来越慢，脉冲间隔也逐渐增大，采集的光谱数据量逐渐减少。因此，上述的同步脉冲信号无论是仅控制光谱仪的开启，还是同时控制光谱仪的开启和关闭，都可通过改变同步脉冲信号的脉冲间隔来改变光谱仪的采集数据量，即通过减小驱动光谱仪同步脉冲信号的脉冲间隔来增加光谱仪的采集数据量；反之，通过增大同步脉冲信号的脉冲间隔来减小光谱仪的采集数据量。例如，在5°~10°角度范围内，被测光源的光强较弱或变化缓慢，脉冲信号的脉冲间隔取为100ms或者更高，其采集的光谱数据少；而在10°~30°角度范围内，被测光源的光强或颜色变化较快，脉冲信号的脉冲间隔取为20ms或者更低，采集的光谱数据较多，能真实反映被测光源的光色分布。 

作为优选，在测量过程中，至少应根据光谱仪前一次的测试结果来预设光谱仪本次的积分时间。一般上，由于光谱仪在积分时间内的精确测量值应处于一个合理取值区间内（如积分光电转化信号在最大AD值的30%~90%区间内），因此，可以根据光谱仪前一次或者前几次的测试结果来设置本次的积分时间，直至调整到光谱仪的测量值处于其合理的取值区间内。例如，假设光谱仪的最大AD值记为I_pmax，若光谱仪前一次的积分时间为30ms，其测试结果为20% I_pmax，则前一次的积分时间过小，应增大光谱仪本次的积分时间，将本次的积分时间设为60ms，得到测试结果为40% I_pmax，为有效测量值；又例如，光谱仪前三次的积分时间均为50ms，前三次对应的测试结果为40% I_pmax、35% I_pmax和32% I_pmax，光谱仪的测试结果逐渐减小，为防止本次测试结果偏离光谱仪的合理取值区间，应增大本次的积分时间，可将本次的积分时间调整到80ms或者更大。 

本发明中，光谱仪绕被测光源作相对连续转动，这种相对连续转动可以是匀速转动，也可以是非匀速转动的。作匀速转动时，光谱仪始终绕被测光源作速率相等的相对连续匀速转动，这种转动情况下，可通过改变光谱仪的积分时间来改变光谱仪的采样测量次数。作非匀速转动时，光谱仪绕被测光源作加速度大小变化的相对连续非匀速转动，光谱仪相对转动加速度的大小随被测光源的光强或颜色的变化而变化，从而改变光谱仪的采集数据量。测量时，光谱仪绕被测光源作加速度大小变化的非匀速相对转动，在被测光源的光强或颜色变化较快的角度范围内，减小光谱仪的相对转动加速度，以减小光谱仪的转动速率，从而增加光谱仪的采集数据量；在被测光源的光强或颜色变化较慢的角度范围内，增大光谱仪的相对转动加速度，以增大光谱仪的转动速率，从而减小光谱仪的采集数据量。需要指出的是，在整个测量过程中，光谱仪的相对转动加速度的大小可多次改变，例如在5°~20°的角度范围内，被测光源的光强或颜色变化特别快，相对转动加速度的大小可以取较小值，如3m/s²；在20°~50°的角度范围内，被测光源的光强或颜色变化相对较快，相对转动加速度可取为10m/s²；在50°~90°的角度范围内，被测光源的光强或颜色变化较慢，相对转动加速度取为20m/s²。 

此外，对于非匀速转动的情况，除了通过改变光谱仪相对转动加速度的方法来改变光谱仪的采集数据量，也可以同时采用改变光谱仪的积分时间方法和/或改变脉冲间隔方法来改变光谱仪的采集数据量，即上述三种方法是可以联合使用的。例如，在0°~25°的测量角度范围内，被测光源的光强或颜色变化相对较快，相对转动加速度可取为10m/s²，同时将光谱仪的积分时间取为10ms；在在50°~90°的角度范围内，被测光源的光强变化缓慢，相对转动加速度取为20m/s²，同时将光谱仪的积分时间取为30ms。因此，本发明中，针对被测光源的光强或颜色的具体变化趋势，可灵活选择使用改变光谱仪采样数据量的方法。 

测量时，光谱仪的单次采样测量值记为该积分时间内的采样起始点或中间点或结束点所对应空间角度的结果。例如，光谱仪在某一积分时间内从5°转到10°，光谱仪在该角度范围内连续采样和测量，则测得的光谱值可以记为5°上的光谱值，或者记为8°上的光谱值，或者记为10°上的光谱值。 

由于本发明中光谱仪绕被测光源作相对连续转动，则有多种具体的实现方式。在实际测量过程中，被测光源保持不动，光谱仪绕被测光源连续转动；或者光谱仪保持不动，被测光源绕光谱仪连续转动；或者光谱仪和被测光源以不同的速率同时连续转动。 

作为一种技术方案，本发明中光谱仪的主机部分也可以静止不动，从光谱仪的光纤接入端引出一根光纤。在实际测量过程中，仅光谱仪的光纤绕被测光源作相对连续转动，光纤采集被测光源的光信号，并将光信号导入到光谱仪中测量。 

作为优选，所述的旋转台通过在其内部设置角度传感器来获取角度信息，角度传感器实时记录被测光源和光谱仪的相对连续转动角度信息，并将角度信息发送至控制中心。测试时，旋转台连续转动，从而驱动光谱仪绕被测光源相对连续转动，角度传感器实时记录被测光源和光谱仪的相对连续转动角度信息并将上述角度信息发送至控制中心。 

综上，本发明采用旋转台带动光谱仪绕被测光源作相对连续转动，同时光谱仪同步地采集和测量被测光源的光信号。相比于传统的“间隔转停”的离散测量模式，测量系统无需多次启动和停止，机械稳定度高，测试结果准确度高、可靠性好；同时根据被测光源光强或颜色的变化情况来调节光谱仪的采集数据量，既大幅缩短了测量时间、提高了测试效率，又避免了光色信息变化快的区域内光色信息的缺失，测量准确度高；此外，由于控制中心接收角度和光谱相对应的二维信号，严格保证了测试数据的可靠性和准确性。因此，本发明的有益效果是采用相对连续旋转和同步采样测量的方法替代了传统“间隔转停”的测量方法，同时根据被测光源的光强或颜色变化情况实时改变光谱仪的采集数据量，即保证了测量准确度，也保证了测量速度，具有机械稳定度高、测量时间短、准确度高、可靠性和稳定性好等特点，能够满足需进行大量多次试验的实验室的快速精确测试要求。 

附图说明

图1是传统“间隔转停”的离散测量方法与本发明的测量方法的比较示意图； 

图2是本发明单次等间隔脉冲信号的示意图；

图3是本发明单次非等间隔脉冲信号的示意图；

图4是本发明矩形等间隔脉冲信号的示意图；

图5是本发明矩形非等间隔脉冲信号的示意图；

图6是本发明实施例1的示意图；

图7是本发明实施例1的结构图；

图8是本发明实施例2的示意图；

图9是本发明实施例 2的结构图；

图10是本发明实施例2中被测光源的等光强变化梯度图。

具体实施方式

实施例1 

如图6和7所示，本实施例公开的分布光谱辐射计中，包括被测光源1、光谱仪2、旋转台3和控制中心4，旋转台3和光谱仪2均与控制中心4电连接，在旋转台3内部设置角度传感器，光谱仪2绕被测光源1作连续的匀速转动。

本实施例中的旋转台3可在两个相互垂直的二维平面内旋转，控制中心4为上位机。如图4所示，上位机4控制旋转台3绕γ轴连续转动，带动光谱仪2绕γ轴连续转动；上位机4控制旋转台3绕C轴等间隔转动，带动被测光源1绕C轴等间隔转动。 

在测试过程中，在某二维测量平面上，具体的测试步骤如下： 

1）上位机4控制旋转台3连续转动，被测光源1保持静止不动，旋转台3绕γ轴连续转动，带动光谱仪2在与γ轴垂直的平面内绕被测光源1连续转动；

2）角度传感器实时记录光谱仪2的连续转动角度信息并将角度信息发送至上位机4；

3）上位机4将角度信息发送至光谱仪2，同时发出使光谱仪2同步采集被测光源1光信号的脉冲信号。本实施例中被测光源的光色分布较为均匀，则脉冲信号的脉冲间隔是相等的，且光谱仪2通过单次脉冲来控制，如图2所示。 

4）光谱仪2在脉冲信号的驱动下实时采集被测光源1的光信号，并输出角度和光谱相对应的二维信号； 

5）光谱仪2将上述二维信号传输到上位机4上，上位机4存储、处理光谱和角度信息，并输出测量结果，以完成一个测试平面的测量。

上位机4控制旋转台3绕C轴等间隔转动，带动被测光源1绕C轴旋转到另外一个测量平面，再按照上述步骤进行测试。被测光源1依次绕C轴旋转到测量平面垂直的二维空间的各个平面上，以完成整个空间光谱分布测量。 

实施例2 

如图8和9所示，和与实施例1不同的是，本实施例公开的分布光谱辐射计中，被测光源1绕光谱仪2作连续的匀速圆周运动，上位机4控制旋转台3绕H轴连续转动，带动被测光源1在与H轴垂直的平面内连续转动；上位机4控制旋转台3绕V轴等间隔转动，相当于光谱仪2相对于被测光源1等间隔转动。此外，设置一个控制器5，控制器5与光谱仪2、旋转台3和上位机4均电连接，如图9所示。

在某二维测量平面上，具体的测试步骤如下： 

1）控制器5控制旋转台3连续转动，光谱仪2保持静止不动，旋转台3带动被测光源1在与H轴垂直的平面内绕光谱仪2连续转动；

2）角度传感器实时记录被测光源1的连续转动角度信息并将角度信息发送至控制器5；

3）控制器5将角度信息发送至光谱仪2，同时发出使光谱仪2同步采集被测光源1光信号的脉冲信号。本实施例中被测光源的光色分布不均匀，则脉冲信号的脉冲间隔是随被测光源的光强或颜色的变化为变化的，这里的光谱仪2的启动和关闭均通过矩形脉冲来控制，如图5所示。

4）光谱仪2在脉冲信号的驱动下实时采集被测光源1的光信号，并输出角度和光谱相对应的二维信号； 

5）光谱仪2将上述二维信号传输到上位机4上，上位机4存储、处理光谱和角度信息，并输出测量结果，以完成一个测试平面的测量。

控制器5控制旋转台3绕V轴等间隔旋转到另外一个测量平面，再按照上述步骤进行测试。旋转台3依次绕V轴等间隔地旋转到各个测量平面上，以完成整个空间的颜色分布测量。 

图10是本实施例测得的某一灯具的等光强变化梯度图，从图中可看出，对于V角度，0°~60°的角度范围内，被测光源1的光强变化较慢，光谱仪的采集数据量较少；在-70°~-40°的角度范围内，被测光源1的光强变化较快，光谱仪的采集数据量较多；在-40°~0°的角度范围内，被测光源1的光强变化位于0°~60°和-70°~-40°之间，则光谱仪的采集数据量也可相应地取中间值。 

Claims (10)

1.一种空间光谱辐射测量方法，包括被测光源(1)、光谱仪(2)和旋转台(3)，光谱仪(2)获取被测光源(1)的光谱，其特征在于，在旋转台(3)的带动下，所述的光谱仪(2)绕被测光源(1)作相对连续转动，旋转台(3)获取相对转动的角度信息，同时光谱仪(2)同步地采集和测量被测光源(1)的光信号，光谱仪(2)每次积分获取的是一段角度范围内的光信号，并根据被测光源(1)光强或者颜色的变化来调节其采集数据量。

2.如权利要求1所述的一种空间光谱辐射测量方法，其特征在于，包括与旋转台(3)和光谱仪(2)均电连接的控制中心(4)；测量过程中，旋转台(3)将相对转动角度信息发送至光谱仪(2)，光谱仪(2)将角度和光谱值相对应的二维信号输出至控制中心(4)；或者旋转台(3)将相对转动角度信息、光谱仪(2)将光谱值分别发送至控制中心(4)，控制中心(4)接收角度和光谱值相对应的二维信号。

3.如权利要求2所述的一种空间光谱辐射测量方法，其特征在于，测量时，控制中心(4)发出与旋转台(3)连续转动相同步的脉冲信号、并将该脉冲信号发送至光谱仪(2)，光谱仪(2)在同步脉冲信号的驱动下采集和测量被测光源(1)的光信号。

4.如权利要求3所述的一种空间光谱辐射测量方法，其特征在于，所述的同步脉冲信号仅控制光谱仪(2)的开启，光谱仪(2)到达预设的积分时间后自动关闭；或者所述的同步脉冲信号控制光谱仪(2)的开启和关闭，光谱仪的积分时间为开启和关闭之间的脉冲间隔。

5.如权利要求1或2或3所述的一种空间光谱辐射测量方法，其特征在于，测量时，在被测光源(1)的光强或颜色变化较快的角度范围内，减小光谱仪(2)的积分时间；在被测光源(1)的光强或颜色变化较慢的角度范围内，增大光谱仪(2)的积分时间。

6.如权利要求1或2或3所述的一种空间光谱辐射测量方法，其特征在于，测量时，光谱仪(2)绕被测光源(1)作加速度大小变化的非匀速相对转动，在被测光源(1)的光强或颜色变化较快的角度范围内，减小光谱仪(2)的相对转动加速度；在被测光源(1)的光强或颜色变化较慢的角度范围内，增大光谱仪(2)的相对转动加速度。

7.如权利要求5所述的一种空间光谱辐射测量方法，在测量过程中，可通过改变同步脉冲信号的脉冲间隔来改变光谱仪的采集数据量。

8.如权利要求1或2或3或4所述的一种空间光谱辐射测量方法，在测量过程中，至少应根据光谱仪(2)前一次的测试结果来预设光谱仪(2)本次的积分时间。

9.如权利要求1或2或3所述的一种空间光谱辐射测量方法，其特征在于，光谱仪(2)的采样测量值记为该积分时间内的采样起始点或中间点或结束点所对应空间角度的结果。

10.如权利要求1所述的一种空间光谱辐射测量方法，其特征在于，测量时，被测光源(1)保持不动，光谱仪(2)绕被测光源(1)连续转动；或者光谱仪(2)保持不动，被测光源(1)绕光谱仪(2)连续转动；或者光谱仪(2)和被测光源(1)以不同的速率同时连续转动。