CN104062010A - 一种优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器 - Google Patents
一种优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，包括三部分：光学检测部分、数据处理部分、数据显示部分，所述光学检测部分包括用以余弦校正的平面圆形乳白玻璃和光谱传感器，平面乳白玻璃的面积要完全覆盖光谱传感器的入射狭缝，所述数据显示部分包括液晶显示屏和操作按键，入射光透过平面圆形乳白玻璃进入光谱传感器的入射狭缝，数据处理部分从光谱传感器中读出被测光源信号的光谱信息，进行之后的运算。本发明的应用不同种类的定标光源对仪器进行定标，获得不同的定标模型。在对被测光源进行测量时，根据所测得的数据应用算法选择精度最高的定标模型。将测试数据代入该模型进行计算。
Description
技术领域
本发明涉及光源测量技术领域，具体涉及一种优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器。
背景技术
类似对物体反射色的测量，对光源的辐射强度和颜色属性的测量有光电积分式和分光光谱式两种。
光电积分式测量是采用滤光片匹配仪器相对光谱响应的方法。在滤色片的设计中，滤色片的相对光谱透过率应满足式（1）要求：
式（1）
式中， 为CIE1931标准色度观察者响应曲线，如图1所示；
、分别为滤色片的相对光谱透过率；
为探测器的光谱灵敏度；
、为相对应的比例系数。
采用有色玻璃滤色片修正仪器光谱灵敏度，性能不稳定、示值误差较大。由于工艺和设计难度，很难获得很高的匹配精度。对于光谱功率分布连续而且比较平滑的光源，误差相对较小。但是对于LED这种光谱分布不连续，谱线变化又比较剧烈的光源，会存在比较大的测量误差。
近年来出现了分光原理的光源颜色照度测量仪器，此类仪器采用光栅作为分光器件，测量被测光源的光谱分布。这种测量方法是通过测量被测光源的光谱分布对被测光源的照度、颜色值进行计算的，可以达到很好的测量精度，由于是直接测量被测光源的光谱分布，对不同光谱分布的光源进行测量时，测量结果误差较为均衡。所以，在需要对光源的光、色参数进行高精度测量时，多使用分光测量方法。
分光光谱原理的光源颜色照度测量仪器采用光栅作为分光器件，通过测量被测光源的光谱分布来计算光源的照度、颜色值。
目前的分光光谱光源测量仪器由于体积较大，一般采用台式设计。台式分光光谱光源测量仪器采用多像元CCD作为传感器件，一个阵列传感器上的像元数量可以达到2048甚至更高，光谱分辨率一般可达到1nm甚至更高。但由于传感器象元面积较小，测量重复性较差。有研究采用背照式CCD作为传感器件，虽然测量重复性有所改善，但器件成本高昂。
手持式分光光源颜色照度测量仪器的设计中，为了保证测量重复性，一般采用大面积像元的阵列传感器作为传感器件，但是这种传感器件的像元数量较少，一般为256个像元。这种情况下虽然保证了测量重复性，却降低了仪器光谱分辨率。以本发明使用的阵列传感器为例，本发明采用256象元的CMOS传感器，单个象元尺寸为12.5(H)*1000(V)um，保证了测量重复性指标，但光谱分辨率为10nm左右。
光谱分辨率过低会在测量时导致测量结果谱线产生一定的畸变。
采用阵列传感器做为传感器件的理想情况下，传感器件上每个象元对应着一个光谱波长。但是实际情况下，分光光路都存在着一定的带宽。波长为的单色光入射至分光光路后，其能量会以一定的比例分布在第i个象元附近。同理，当对非单色光进行测量时，每个象元采集所得信号是由一定光谱范围的光信号所产生的，阵列传感器的单个像元采样信号可以用式2表示：
式（2）
其中，
为传感器第i个象元的信号强度；
传感器第i个象元所对应的波长；
、、…、为对应的比例系数；
为一定的光谱间隔。
若在定标时使用作为光谱波长的能量强度，会导致在测量形状不同的光谱曲线时测量结果产生畸变。在仪器光谱分辨率较高时或测量光谱形状比较平缓的谱线时，这种畸变不太明显。但是在仪器光谱分辨率较低时，测量类似LED这种形状变化较为剧烈的光谱时，测量谱线畸变会比较严重，对光源色参数的测量带来较大的误差。
光谱测量仪器对所测试信号的带宽响应可以用仪器响应函数来表示，也叫做点扩散函数。
若仪器的点扩散函数为如图2所示的三角形，关于中心波长对称。函数解析式如式（3）所示。
式（3）
在这种情况下，若被测光源的光谱分布真实值在区间范围上式线性函数时，由式（3）得，测量值与真实值相等。如果若被测光源的光谱分布真实值在该区间范围内不是线性的，测量值与真实值则不等。若谱线为凹形，经积分值会比真实值大；反之则小。图3分别显示了真实谱线为线性（实线）和非线性（虚线）的情况。
在对分光光源照度颜色测量仪器进行定标时，需要对仪器进行相对辐射定标。相对辐射定标过程中，需要使用被定标仪器和标准仪器同时对定标光源进行测量。被定标仪器测试结果为电路中AD转换器输出的采样信号；标准仪器测量结果为真实光谱辐射强度。定标的目的即为建立被定标仪器AD采样信号与标准光谱辐射强度之间的对应关系。
定标过程一般为，使用被定标仪器和标准仪器同时对定标光源进行测量，通过改变定标光源的发光强度，分别获得两组测量值：
1. 被定标仪器的采样结果Di()={ D0(), D1(), D2()……Dn()}
2. 标准仪器测量结果Ii()={ I0(), I1(), I2()……In()}。
其中，为测量波长，范围为380-780nm；i为改变定标光源的发光强度次数；对Di()和Ii()进行拟合，在一次线性拟合的情况下，获得以下对应关系：
Ii()= KDi()+D 式（4）
其中，K、D分别为定标系数。
当被定标仪器的光谱分辨率为10nm时，需要对380nm、390nm、400nm、780nm建立对应以上关系。
式（4）成立的基础是被定标仪器的采样结果和标准仪器测量结果存在线性对应关系。但是，由于不同光谱分辨率仪器点扩散函数的影响，导致在测量不同光谱分布的被测光源时，被定标仪器的采样结果和标准仪器测量结果并不完全成线性关系。
选择光谱分辨率为0.1nm的台式光源测量仪器HASE2000作为标准仪器，和光谱分辨率为10nm的被定标仪器对卤钨灯和正白LED分别进行定标测量，结果如图3所示。
1.对正白LED应用两种仪器进行测量，得到两种仪器的测量结果。对620nm处测试数据比较HASE2000和实验仪器的数据。两组数据的对比如图4所示，有很好的线性相关性。
2.对卤钨灯应用两种仪器进行测量，得到两种仪器的测量结果。对620nm处测试数据比较HASE2000和实验仪器的数据。两组数据的对比如图5所示，有很好的线性相关性。
3.但是，将两组数据放在一起比较时，结果如图6所示。两组数据的线性有较大区别。
所以，如果使用卤钨灯作为标准光源对仪器进行定标，定标完成后对正白LED进行测量的测量结果与标准值则会有较大偏差，反之亦然。
用卤钨灯作为标准光源对仪器进行定标之后，对比分辨率更高的对卤钨灯进行测试的结果如图7（a）所示，测试结果和标准值差别非常小。但是，当对正白LED和荧光灯源进行测量时，测试结果出现较大偏差。采用卤钨灯进行定标后对正白LED和荧光灯的测试结果如图7（b）和图7（c）所示。测试数据对比如表1所示。
若对正白LED和荧光灯单独进行定标，测试结果如图8和图9所示，测试数据误差非常小，结果如表2所示。
表 1采用卤钨灯定标后对其它光源的测试结果
表2对其他光源单独定标测试结果
综上所述，在手持式分光颜色照度测量仪器的设计中，需要考虑低光谱分辨率导致的测量不同光谱分布的被测光源时光谱曲线畸变问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，包括三部分：光学检测部分、数据处理部分、数据显示部分，所述光学检测部分包括用以余弦校正的平面圆形乳白玻璃和光谱传感器，平面圆形乳白玻璃的面积完全覆盖光谱传感器的入射狭缝，所述数据显示部分包括液晶显示屏和操作按键，入射光透过平面圆形乳白玻璃进入光谱传感器的入射狭缝，数据处理部分从光谱传感器中读出被测光源信号的光谱信息，进行之后的运算。
进一步的，还包括定标数据库，包括两部分：
（1）标准定标光源光谱形状：使用待定标仪器对所有的定标光源进行测量，选择U30，D50，CWF，TL84，D65，D75，F，荧光灯，暖白LED，正白LED，冷白LED，钠灯共12种光源作为定标光源，对所有12种定标光源进行测量后得到标准定标光源光谱形状矩阵X；
（2）不同定标光源下的强度定标：通过控制光源的驱动电流强度，使光源发出不同强度的光；待定标光源发光稳定后，使用待定标仪器和高光谱分辨率标准仪器分别对定标光源进行测量，获得测量结果。
进一步的，其中标准定标光源光谱形状矩阵X为：
其中，代表第n种定标光源测试谱线中第m个像元的强度值；
对矩阵X每行进行归一化得到归一化后的标准定标光源光谱形状矩阵；
其中，代表归一化后的第n种定标光源测试谱线中第m个像元的强度值。计算方法为
式（5）。
进一步的，对其它不同定标光源U30，D50，CWF，TL84，D65，D75，F，荧光灯，暖白LED，冷白LED，钠灯重复以上过程，得到待定标仪器在不同定标光源下不同波长处的定标系数矩阵K和D，
其中， 分别为第k种定标光源波长处的定标系数。
进一步的，所述光谱传感器测量得到被测光源的谱线，在定标数据库的形状谱线中选择与所测得谱线最接近的谱线。
进一步的，选择方法为：计算被测光源的谱线和已知定标光源谱线之间的信息散度，两条光谱X和Y越相似，两者的光谱信息散度应越接近零值；
信息散度的计算方法为：
假设两条待测光谱分别为：
式（7）
其中，n为像元的序号，选择的光谱传感器的像元数是256个，则X和Y的取值为0-255；
首先，根据光谱分布求得两条光谱的概率分布，分别为
式（8）
其中，P、Q中的概率系数分别为
式（9）
然后，根据信息理论，求出光谱X和光谱Y的自信息，如下所示：
式（10）
因此，我们可以得到，Y关于X的相对熵和Y关于X的相对熵分别为
式（11）
则X和Y的光谱信息散度为
式（12）
两条光谱X和Y越相似，两者的光谱信息散度应越接近零值。
进一步的，假设定标光源数谱线据库中，共有m个定标光源谱线，依次计算被测光源谱线和这m个谱线之间的信息散度，得到m个信息散度值{}，选择其中绝对值的最小值(,对应的定标光源谱线就是应选择的定标模型谱线。
进一步的，根据选定的定标光源谱线选择定标模型：如果对应的定标光源谱线是正白LED光谱，说明被测光源的谱线与正白LED光谱很相似，则应选择定标过程中的正白LED定标模型的和，对于不同波长应用I()= D()+，即可得到所需测量数据。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明的基于优化定标算法的手持式分光颜色照度测量仪器，应用不同种类的定标光源对仪器进行定标，获得不同的定标模型。在对被测光源进行测量时，根据所测得的数据应用算法选择精度最高的定标模型。将测试数据代入该模型进行计算。这种方法降低了测量误差。
附图说明
图1是CIE1931标准色度观察者响应曲线图；
图2是三角形点扩散函数图；
图3是点扩散函数对谱线测量结果产生的影响图；
图4是对正白LED在620nm处测量数据对比图；
图5是对卤钨灯在620nm处测量数据对比图；
图6是LED和卤钨灯在620nm处测量数据对比图；
图7（a）是用卤钨灯作为标准光源对仪器进行定标后对卤钨灯测试结果图；
图7（b）是用卤钨灯作为标准光源对仪器进行定标后对正白LED测试结果图；
图7（c）是用卤钨灯作为标准光源对仪器进行定标后对荧光灯测试结果图；
图8是对正白LED单独定标测试结果图；
图9是对荧光灯单独定标测试结果图；
图10是本发明的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器结构图；
图11是该优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器框架图；
图12是定标装置示意图；
图13是被定标仪器测量结果图；
图14是高光谱分辨率标准仪器测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，
如图10和11所示，本发明的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，包括三部分：光学检测部分1；数据处理部分2；数据显示部分3。其中，光学检测部分1包括用以余弦校正的平面圆形乳白玻璃和光谱传感器，平面乳白玻璃的面积要完全覆盖光谱传感器的入射狭缝，数据显示部分3包括液晶显示屏和操作按键。在使用时，入射光透过平面圆形乳白玻璃进入光谱传感器的入射狭缝，数据处理部分2从光谱传感器中读出被测光源信号的光谱信息，进行之后的运算。
定标过程
定标数据库分为两部分：
1. 标准定标光源光谱形状
使用被定标仪器对所有的定标光源进行测量。
本发明选择U30，D50，CWF，TL84，D65，D75，F，荧光灯，暖白LED，正白LED，冷白LED，钠灯共12种光源作为定标光源。被定标仪器中光谱传感器使用的传感器件为256像元的阵列传感器。所以对所有12种定标光源进行测量后得到标准定标光源光谱形状矩阵X。
其中，代表第n种定标光源测试谱线中第m个像元的强度值。
对矩阵X每行进行归一化得到归一化后的标准定标光源光谱形状矩阵。
其中，代表归一化后的第n种定标光源测试谱线中第m个像元的强度值。计算方法为
式（5）
2. 不同定标光源下的强度定标
采用如图12所示的定标装置。在积分球内壁上固定定标光源，通过外接电流源控制定标光源的发光强度。积分球内壁涂覆白色漫反射材料。在积分球内壁上如图所示的对称位置开两个出光孔，一个出光孔发出的光入射高分辨率标准仪器，另一个出光孔发出的光入射被定标仪器。在两个出光孔和定标光源之间用挡板隔开，避免定标光源发出的光直接从出光孔出射。挡板上也涂覆和积分球内壁同样的材料。这种情况下，由于积分球的匀光作用，可以避免两个出光孔由于位置不同光强分布不同。
通过控制光源的驱动电流强度，使光源发出不同强度的光。待定标光源发光稳定后，使用被定标仪器和高光谱分辨率标准仪器分别对定标光源进行测量，获得测量结果。本发明中高光谱分辨率标准仪器为光谱分辨率为0.1nm的光纤光谱仪HAS2000。
定标流程为，以使用正白LED作为定标光源为例：
使用正白LED作为定标光源时，改变7次驱动电流，两种仪器对同一正白LED的测量。实际采样结果如图13和14所示。
被定标仪器测量结果为St ；
St =
其中为第j次测量时，传感器第i个像元的采样结果。
高光谱分辨率标准仪器测量结果为Sstd ；
Sstd =
其中为第j次测量时，高光谱分辨率标准仪器在波长处的采样结果。
在光谱传感器出厂时，厂家提供了传感器每个像元与波长之间的对应关系。在本发明采用的光谱传感器中，380nm对应着第29个像元。
对高分辨率标准仪器测量在380nm处测量结果
{}
和被定标仪器传感器第29个像元测量结果
进行线性拟合的情况下，获得以下对应关系：
= 式（6）
其中，、分别为定标系数。
本发明仪器的被定标仪器的设计光谱分辨率为10nm。所以，对390nm、400nm、…… 780nm重复以上过程进行运算获得对应波长处的定标系数。以使用正白LED作为定标光源的强度定标过程结束。
对其它不同定标光源U30，D50，CWF，TL84，D65，D75，F，荧光灯，暖白LED，冷白LED，钠灯重复以上过程，得到被定标仪器在不同定标光源下不同波长处的定标系数矩阵K和D。
其中， 分别为第k种定标光源波长处的定标系数。
1． 光谱传感器测量得到被测光源的谱线
2． 在定标数据库的形状谱线中选择与所测得谱线最接近的谱线。
选择方法为：
计算被测光源的谱线和已知定标光源谱线之间的信息散度，两条光谱X和Y越相似，两者的光谱信息散度应越接近零值。
信息散度的计算方法为：
假设两条待测光谱分别为：
式（7）
其中，n为像元的序号，在本发明中选择的光谱传感器的像元数是256个，所以X和Y的取值为0-255.
首先，根据光谱分布求得两条光谱的概率分布，分别为
式（8）
其中，P、Q中的概率系数分别为
式（9）
然后，根据信息理论，求出光谱X和光谱Y的自信息，如下所示。
式（10）
因此，我们可以得到，Y关于X的相对熵和X关于Y关于X的相对熵分别为
式（11）
则X和Y的光谱信息散度为
式（12）
两条光谱X和Y越相似，两者的光谱信息散度应越接近零值。
假设定标光源数谱线据库中，共有m个定标光源谱线。依次计算被测光源谱线和这m个谱线之间的信息散度，得到m个信息散度值{},选择其中绝对值的最小值(,对应的定标光源谱线就是应选择的定标模型谱线。
3． 根据选定的定标光源谱线选择定标模型
如果对应的定标光源谱线是正白LED光谱，说明被测光源的谱线与正白LED光谱很相似，则应选择定标过程中的正白LED定标模型的和。
对于不同波长应用I()= D()+。即可得到所需测量数据。
1. 测试结果
应用本发明介绍的算法，对不同光源进行测量，测量结果如表3所示。测量误差有了很好的改善。
表3 对不同光源的测量结果。
Claims (8)
1.一种优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，包括三部分：光学检测部分（1）、数据处理部分（2）、数据显示部分（3），其特征在于：所述光学检测部分（1）包括用以余弦校正的平面圆形乳白玻璃和光谱传感器，平面圆形乳白玻璃的面积完全覆盖光谱传感器的入射狭缝，所述数据显示部分（3）包括液晶显示屏和操作按键，入射光透过平面圆形乳白玻璃进入光谱传感器的入射狭缝，数据处理部分（2）从光谱传感器中读出被测光源信号的光谱信息，进行之后的运算。
2.如权利要求1所述的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，其特征在于：还包括定标数据库，包括两部分：
（1）标准定标光源光谱形状：使用待定标仪器对所有的定标光源进行测量，选择U30，D50，CWF，TL84，D65，D75，F，荧光灯，暖白LED，正白LED，冷白LED，钠灯共12种光源作为定标光源，对所有12种定标光源进行测量后得到标准定标光源光谱形状矩阵X；
（2）不同定标光源下的强度定标：通过控制光源的驱动电流强度，使光源发出不同强度的光；待定标光源发光稳定后，使用待定标仪器和高光谱分辨率标准仪器分别对定标光源进行测量，获得测量结果。
3.如权利要求1所述的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，其特征在于：其中标准定标光源光谱形状矩阵X为：
其中，代表第n种定标光源测试谱线中第m个像元的强度值；
对矩阵X每行进行归一化得到归一化后的标准定标光源光谱形状矩阵；
其中，代表归一化后的第n种定标光源测试谱线中第m个像元的强度值；
计算方法为
式（5）。
4.如权利要求2所述的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，其特征在于：对其它不同定标光源U30，D50，CWF，TL84，D65，D75，F，荧光灯，暖白LED，冷白LED，钠灯重复以上过程，得到待定标仪器在不同定标光源下不同波长处的定标系数矩阵K和D，
其中， 分别为第k种定标光源波长处的定标系数。
5.如权利要求4所述的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，其特征在于：所述光谱传感器测量得到被测光源的谱线，在定标数据库的形状谱线中选择与所测得谱线最接近的谱线。
6.如权利要求5所述的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，其特征在于：选择方法为：计算被测光源的谱线和已知定标光源谱线之间的信息散度，两条光谱X和Y越相似，两者的光谱信息散度应越接近零值；
信息散度的计算方法为：
假设两条待测光谱分别为：
式（7）
其中，n为像元的序号，选择的光谱传感器的像元数是256个，则X和Y的取值为0-255；
首先，根据光谱分布求得两条光谱的概率分布，分别为
式（8）
其中，P、Q中的概率系数分别为
式（9）
然后，根据信息理论，求出光谱X和光谱Y的自信息，如下所示：
式（10）
因此，我们可以得到，Y关于X的相对熵和Y关于X的相对熵分别为
式（11）
则X和Y的光谱信息散度为
式（12）
两条光谱X和Y越相似，两者的光谱信息散度应越接近零值。
7.如权利要求6所述的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，其特征在于：假设定标光源数谱线据库中，共有m个定标光源谱线，依次计算被测光源谱线和这m个谱线之间的信息散度，得到m个信息散度值{}，选择其中绝对值的最小值(,对应的定标光源谱线就是应选择的定标模型谱线。
8.如权利要求7所述的优化定标算法的分光光源颜色照度测量仪器，其特征在于：根据选定的定标光源谱线选择定标模型：如果对应的定标光源谱线是正白LED光谱，说明被测光源的谱线与正白LED光谱很相似，则应选择定标过程中的正白LED定标模型的和，对于不同波长应用I()=D()+，即可得到所需测量数据。
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