CN102997995B - 一种波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计 - Google Patents
一种波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，包括余弦校正器，红、绿、白光集成的校准LED，光电池，集光器，耦合透镜，光纤，平场凹面衍射光栅，线性阵列传感器，信号处理器和LCD显示屏。其目的是除了测量照度以外，还能测量被测光源在被照面的光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数参数。校准光源由红、绿、白光LED集成组成，其对线性阵列传感器对应的波长和能量进行校准；圆锥型集光器提高了仪器信噪比；阵列传感器每个像元采集的光功率通过多元线性回归数学关系获得；发明的便携式分光色彩照度计测量范围宽、高精度，在照明工程中获得广泛应用。本发明还公开了一种自动波长较准的便携式分光色彩照度计的测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，特别涉及一种波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计。
背景技术
目前，市场上销售的照度计主要有指针式和数显式两种。指针式需要手动进行切换积分时间，使用时较为麻烦且测试精度低。数显式的照度计测量精度高，但这两种照度计只能显示测试目标的照度值，不能得到相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数参数。
发明内容
基于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，其低成本、测量范围宽、高精度、方便携带，并可自动对波长和光谱能量进行校准的便携式分光色彩照度计，其目的是除了测量照度以外，还能测量被测光源在被照面的光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数参数，而且实现对波长和光谱能量的自动校准。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，用于测量被测光源的相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数和照度，包括：余弦校正器，红、绿、白光集成的校准LED，光电池，集光器，耦合透镜，光纤，平场凹面衍射光栅，线性阵列传感器，信号处理器和LCD显示屏,被测光源光线照在余弦校正器上，经过余弦校正器漫透射匀光后，一部分直接照射到光电池上，经信号处理器处理后在LCD显示屏上输出照度值；另一部分照射到集光器上，经过多次内反射后，由耦合透镜耦合到光纤中，耦合到光纤的光线经过入射狭缝，照射到平场凹面衍射光栅上，经过衍射分光，照在线性阵列传感器上，经信号处理器处理后得到光源光谱功率分布，LCD显示屏输出相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数参数。
进一步的，所述集光器表面采用高反射材料。
进一步的，由所述红、绿、白光集成的校准LED构成自动波长校准系统，红光峰值波长为620nm-650nm，绿光峰值波长为505nm-530nm，白光由蓝光激发YAG荧光粉和红色荧光粉组成，其中蓝光部分峰值波长为420nm-470nm，测试之前通过所述已知峰值波长的红、绿以及白光的蓝光峰值，对线性阵列传感器对应的波长进行校准。
进一步的，包括自动调节线性阵列传感器积分时间的装置，其根据线性阵列传感器输出的信号大小，自动设定线性阵列传感器的积分时间，使其输出的信号处于线性阵列传感器的线性区。
进一步的，包括光谱能量校准系统，测试之前通过点亮所述红、绿、白光集成的校准LED中已知光谱能量分布的白光LED，对线形阵列传感器的光谱能量进行校准。
进一步的，所述的集光器是圆锥型结构，光照射到圆锥大口后经反射收集到圆锥小口出口处，圆锥型内壁反射率为90%以上，圆锥的直径为径为5-30mm，高度为10-50mm。
进一步的，所述线性阵列传感器在获得光谱信息时，线性阵列传感器的每个像元Pi接收的信号包括对应波长 处的光功率和其他波长的部分光功率，对于第i个像元Pi，其光功率为：
其中，为第i个像元受到波长为光线入射的光功率权重；
为入射光中波长为380nm、381nm、382nm……780nm的真实光功率，则在像素为m的阵列传感器上的输出为：
其中：
采用多元线性回归即可得到系数矩阵K的最优解，并对上述系数矩阵K进行求逆运算，求得K-1。
在测量过程中，仪器得到的数据是线形阵列传感器（8）的对应像元处的光谱功率分布，为，将上述矩阵K-1代入下式：
得出样品的真实光功率，如下式：
。
进一步的，所述光电池的光谱响应灵敏度匹配成人眼明视觉光谱光视效率曲线，所测光源的光谱功率分布和光电池光谱响应灵敏度，输出照度，如下式：
其中，k为常数，光电池光谱响应灵敏度与人眼明视觉光谱曲线相比，存在一定的匹配误差，为光电池输出的照度值，与被测光源的照度有一定误差，需修正系数c进行修正，如下式：
修正系数c如下式：
其中，为、与的加权面积差的相对系数。
进一步的，所述平场凹面衍射光栅采用微小型平场凹面光栅衍射微型分光结构，长×宽×高的尺寸为20～50×15～40×10～30mm，以使整个分光色彩照度计实现小型化和便携式。
本发明还提供了一种自动波长较准的便携式分光色彩照度计的测量方法，其包括以下步骤：
第一步：被测光源光线经过余弦校正器漫透射；
第二步：一部分直接照射到光电池感光表面，得到被测光源的照度值；
第三步：另一部分照射到集光器壁经过多次内反射后，经过耦合透镜后耦合到光纤中；
第四步：所述光纤中的光线经过入射狭缝，照射到平场凹面衍射光栅上，经过衍射分光，并聚焦在所述线性阵列传感器的感应表面，根据线性阵列传感器的读数，自动设定线性阵列传感器的积分时间；
第五步：线性阵列传感器根据系统设定的积分时间，读出被测光源的光谱功率分布；
第六步： 经过信号处理后，在LCD显示屏上显示相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数参数。
相对于现有技术，本发明提供的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，通过集光器，将经过余弦校正器的光线收集，降低了光谱能量的损失，提高了仪器信噪比；通过自动波长和光谱能量校准，提高了波长准确度，有效的增强了测量精度；并实现了仪器的小型化和便携式，在光源性能测试、照明分布测试、照明设计等领域具有广阔的市场推广前景。
附图说明
图1为本发明的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计的光路结构示意图。
图 2 -4分别为本发明的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计的红、绿、白光集成的校准LED。
图5为本发明的波长和光谱能量自动校准便的携式分光色彩照度计的测量方法的流程图。
图 6为本发明的波长和光谱能量自动校准便携式分光色彩照度计的波长定标算法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计的光路结构示意图，其包括余弦校正器1，用聚四氟乙烯压模的直径为8mm，厚度为1mm的球冠型漫透射片；红、绿、白校准LED2为小功率LED，其红色芯片、绿色芯片、蓝色LED芯片集成封装于一个基板上，并在蓝色芯片上覆盖YAG荧光粉和红色荧光粉；光电池3采用硅光电池S1133-14，其光谱灵敏度包含了整个可见光波长范围，并匹配成；集光器4直径为15mm，高度为20mm，其内表面镀高反射金属薄膜；耦合透镜5采用直径为4mm，厚度1mm的凸透镜；光纤6的直径为2mm，光纤芯径250um；线性阵列传感器8采用256元PDA：S8377-256Q；信号处理器9包括功率放大器AD8022，A/D转换器AD7610，以及MCU STM32F103ZET6；LCD显示屏10为LM6030点阵液晶屏。
被测光源光线照在余弦校正器1上，经过余弦校正器1漫透射匀光后，一部分直接照射到光电池3上，经信号处理器9处理后在LCD显示屏10上输出照度值；另一部分照射到集光器4上，经过多次内反射后，由耦合透镜5耦合到光纤6中，集光器4表面采用高反射材料，将光线损失降低到最小。耦合到光纤6的光线经过入射狭缝，照射到平场凹面衍射光栅7上，经过衍射分光，照在线性阵列传感器8上，经信号处理器9处理后得到光源光谱功率分布，在LCD显示屏10上输出相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数参数。
图2-4为红、绿、白光集成校准LED的光谱图，红光峰值波长为630nm，绿光峰值波长为520nm，白光由蓝光激发YAG荧光粉和氮化物红色荧光粉形成，其中蓝光峰值波长为465nm，测试之前通过这些已知峰值波长的红、绿以及白光的蓝光部分，对线性阵列传感器8的波长进行校正；并通过点亮已知光谱能量分布的白光，对线形阵列传感器8对应的光谱能量进行校正。
如图5所示的自动波长较准的便携式分光色彩照度计的测量方法，其包括以下步骤：
第一步：被测光源光线经过余弦校正器1漫透射；
第二步：一部分直接照射到光电池3感光表面，得到被测光源的照度值；
第三步：另一部分照射到集光器4壁经过多次内反射后，经过耦合透镜5后耦合到光纤6中；
第四步：光纤6中的光线经过入射狭缝，照射到平场凹面衍射光栅7上，经过衍射分光，并聚焦在线性阵列传感器8的感应表面，根据线性阵列传感器8的读数，自动设定线性阵列传感器8的积分时间；
第五步：线性阵列传感器8根据系统设定的积分时间，读出被测光源的光谱功率分布；
第六步： 经过信号处理后，在显示器上显示相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数等参数。
如图6所示，相较于现有技术，本发明还改进了线性阵列传感器的光谱信息的算法过程，现有技术为：
对含有256个像元的线形阵列传感器，每个像元都将其表面接收到的光转换为对应的电流值，它们与每个像元所接收到的光功率相对应。仪器的分辨率为10nm，测量范围为380nm到780nm。通过测量每个像元接收到的光线光功率就可以得到经过被测光源的光线在波长380nm到780nm时的光功率。传感器的光谱分辨率较小，每两个像元的波长间隔小于10nm，需要将其计算成波长间隔为10nm的读数。常规的计算方法如下式：
其中，为所求像元对于所求波长Yn的权重：
其中，为间隔10nm的波长，为像元处对应的波长，为该像元处的光功率，为传感器的半波宽 。
该方法是默认像元的权重与该像元处的波长和计算波长的距离成线性关系，而实际中对于每一种波长λ的光线，传感器各像元的权重与该像元对应波长和计算波长的距离并不是线性关系。每一种波长λ的光线不仅聚焦到一个像元中，也有部分光线入射到传感器中其他像元中，每个像元的值不仅包括了对应波长处的光功率，还包含了其他波长下的部分光功率，如下式：
其中，为波长为380nm、381nm、382nm……780nm的真实光功率。为该像元处波长为380nm、381nm、382nm…780nm光线入射的光功率的权重，即每个波长光线照射到该像元的光占到该波长照射到整个传感器感应面光线的百分比；这样通过该方法计算出10nm间隔的光功率与实际光线的光谱分布会发生偏差。
为了解决上述问题，本发明的提出了一种线性阵列传感器的光谱信息的改进算法。本照度计的测量的目的是获得被测光源不同波长处的光谱功率分布，具体的系数矩阵K定标计算方法如下：
第一步：用本照度计测量大量不同的样品，得到线形阵列传感器8每个像元对应的对应光谱分布。得到P1、P2、P3…P256共256个像元数据。设测量n个样品，则得到如下的矩阵p。
其中，代表测量第j个样品时，传感器第i个像元的信号。
第二步：用高精密分光光谱仪测量样品，得到这些样品标准的在不同波长处的光谱功率分布矩阵r。
其中，代表测量第i个样品时，该样品在波长为处的光谱功率分布。
第三步 构造系数矩阵K，存在如下的对应关系：
P=Kr
系数矩阵K具体形式如下。
其中，为第一个像元受到波长为光线入射的光功率的权重；
采用多元线性回归即可得到系数矩阵K的最优解。
第四步：对上述系数矩阵K进行求逆运算，得到K-1。
第五步：在测量过程中，照度计得到的数据是线形阵列传感器的对应像元处的光谱功率分布，为，并将上述矩阵K-1代入下式：
得出样品在波长为下的真实值，如下式：
通过以上算法就可以求出被测样品在对应波长处的真实光谱功率分布。
所述光电池3的光谱响应灵敏度可以匹配成人眼明视觉光谱光视效率曲线，所测光源的光谱功率分布和光电池3光谱响应灵敏度，输出照度，如下式：
其中，k为常数，为了使得光电池3探测和人眼看的时候是一致的结果，其光谱响应灵敏度和人眼的光谱光视效率曲线必须匹配，光电池光3谱响应灵敏度与人眼明视觉光谱曲线相比，存在一定的匹配误差，为光电池输出的照度值，与被测光源的照度有一定误差，需修正系数c进行修正，如下式：
修正系数c如下式：
其中，为、与的加权面积差的相对系数。
光谱波长测试的模块的平场凹面衍射光栅7采用微小型平场凹面光栅衍射微型分光结构，长×宽×高的尺寸为20～50×15～40×10～30mm，以使整个分光色彩照度计实现小型化和便携式。
Claims (9)
1.一种波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，用于测量被测光源的相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数和照度，包括：余弦校正器（1），红、绿、白光集成的校准LED（2），光电池（3），集光器（4），耦合透镜（5），光纤（6），平场凹面衍射光栅（7），线性阵列传感器（8），信号处理器（9）和LCD显示屏（10）,其特征在于：被测光源光线照在余弦校正器（1）上，经过余弦校正器（1）漫透射匀光后，一部分直接照射到光电池（3）上，经信号处理器（9）处理后在LCD显示屏（10）上输出照度值；另一部分照射到集光器（4）上，经过多次内反射后，由耦合透镜（5）耦合到光纤（6）中，耦合到光纤（6）的光线经过入射狭缝，照射到平场凹面衍射光栅（7）上，经过衍射分光，照在线性阵列传感器（8）上，经信号处理器（9）处理后得到光源光谱功率分布，LCD显示屏（10）输出相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数参数，由所述红、绿、白光集成的校准LED（2）构成自动波长校准系统，红光峰值波长为620nm-650nm，绿光峰值波长为505nm-530nm，白光由蓝光激发YAG荧光粉和红色荧光粉组成，其中蓝光部分峰值波长为420nm-470nm，测试之前通过已知峰值波长的红、绿以及白光的蓝光峰值，对线性阵列传感器（8）对应的波长进行校准。
2.根据权利要求1所述的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，其特征在于：所述集光器（4）表面采用高反射材料。
3.根据权利要求1所述的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，其特征在于：包括自动调节线性阵列传感器积分时间的装置，其根据线性阵列传感器（8）输出的信号大小，自动设定线性阵列传感器（8）的积分时间，使其输出的信号处于线性阵列传感器的线性区。
4.根据权利要求1所述的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，其特征在于：包括光谱能量校准系统，测试之前通过点亮所述红、绿、白光集成的校准LED（2）中已知光谱能量分布的白光LED，对线形阵列传感器（8）的光谱能量进行校准。
5.根据权利要求2所述的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，其特征在于：所述的集光器（4）是圆锥型结构，光照射到圆锥大口后经反射收集到圆锥小口出口处，圆锥型内壁反射率为90%以上，圆锥的直径为5-30mm，高度为10-50mm。
6.根据权利要求1所述的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，其特征在于：所述线性阵列传感器（8）在获得光谱信息时，线性阵列传感器（8）的每个像元Pi接收的信号包括对应波长 处的光功率和其他波长的部分光功率，对于第i个像元Pi，其光功率为：
其中，为第i个像元受到波长为光线入射的光功率权重；
为入射光中波长为380nm、381nm、382nm……780nm的真实光功率，则在像素为m的阵列传感器（8）上的输出为：
其中：
采用多元线性回归即可得到系数矩阵K的最优解，并对上述系数矩阵K进行求逆运算，求得K-1，
在测量过程中，仪器得到的数据是线形阵列传感器（8）的对应像元处的光谱功率分布，为，将上述矩阵K-1代入下式：
得出样品的真实光功率，如下式：
。
7.根据权利要求1所述的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，其特征在于：所述光电池（3）的光谱响应灵敏度匹配成人眼明视觉光谱光视效率曲线，所测光源的光谱功率分布和光电池（3）光谱响应灵敏度，输出照度，如下式：
其中，k为常数，光电池光谱响应灵敏度与人眼明视觉光谱曲线相比，存在一定的匹配误差，为光电池输出的照度值，与被测光源的照度有一定误差，需修正系数c进行修正，如下式：
修正系数c如下式：
其中，为、与的加权面积差的相对系数。
8.根据权利要求1所述的波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计，其特征在于：所述平场凹面衍射光栅（7）采用微小型平场凹面光栅衍射微型分光结构，长×宽×高的尺寸为20～50×15～40×10～30mm，以使整个分光色彩照度计实现小型化和便携式。
9.一种自动波长较准的便携式分光色彩照度计的测量方法，其包括以下步骤：
第一步：被测光源光线经过余弦校正器（1)漫透射；
第二步：一部分直接照射到光电池（3）感光表面，得到被测光源的照度值；
第三步：另一部分照射到集光器（4）壁经过多次内反射后，经过耦合透镜（5）后耦合到光纤（6）中；
第四步：所述光纤（6）中的光线经过入射狭缝，照射到平场凹面衍射光栅（7）上，经过衍射分光，并聚焦在所述线性阵列传感器（8）的感应表面，根据线性阵列传感器（8）的读数，自动设定线性阵列传感器（8）的积分时间；
第五步：线性阵列传感器（8）根据系统设定的积分时间，读出被测光源的光谱功率分布；
第六步： 经过信号处理后，在LCD显示屏（10）上显示相对光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数参数。
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