CN104062011B - 优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，采用双传感器设计，一路采用光谱传感器对被测光源的光谱分布进行测量，另外一路采用硅光电二极管作为传感器件同时对被测光源信号进行检测。通过硅光电二极管的测量信号对光谱信号的测量结果进行修正，改善光谱信号测量结果余弦特性。本发明的优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器同时采用两种采样方式：一种使用硅光电二极管作为传感器件进行光电积分测量；一种使用光谱传感器件进行分光测量。使用聚四氟乙烯材料的半球形余弦校正器。建立数学模型，在算法上对两种采样结果进行综合运算。
Description
技术领域
本发明涉及颜色照度测量技术领域，具体涉及一种优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器。
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公式（1）要求：
公式（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。
对于三刺激值曲线中的，在实际匹配滤色片时为了降低匹配难度，通常把分成的长波和短波部分两个部分，分界处在500nm附近。如图2所示。
公式（2）
为分成的长波R和短波B部分两个部分；
和为相应的两个部分；
、为相对应的比例系数。
经过滤色片的修正后，仪器中探测器的信号就与被测光源的三刺激值成一定比例。三刺激值与仪器测量结果之间关系如公式（3）或公式（4）所示：
公式（3）
或
公式（4）
其中，
、、、为相对应的比例系数；
X、Y、Z为标准三刺激值；
、、为三个传感器对应的采样值；
、为图2中两个部分对应传感器的采样值。
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。
但是，在手持式光源颜色照度分光测量仪器中应用分光测量方法时，又有其特殊性。在手持式光源照度、颜色测量仪器的应用环境中，很大一部分测量目的是对环境光进行测量，即测量时光线并不是从光源直入射至仪器探头部分，而是经过了墙壁等其它反射面的反射。这种情况下，进入仪器探头的光线是从多个方向入射的。在这种情况下，设计仪器时需要使仪器对不同方向的入射光有一定的响应，这种特性称为仪器的余弦特性误差。在国家计量检定规程中，对此参数进行了明确的规定。可供参考的检定规程有JJG 245-2005光照度计检定规程和相关的测试标准。如果仪器的余弦特性误差不符合要求，在测量光源直射光时测量误差可能不大，但是在测量环境光时会有很大的误差。
不同国家的计量检定规程中，对余弦响应的误差要求不同，以中国和日本为例。中国的照度计检定规程JJG 245-2005中评价的是仪器的方向性总误差，如公式（5）所示。
公式（5）
其中，由投射光方向引起的误差
公式（6）
式中：入射光与光度头测试面法线所成的入射角；
入射光与光度头测试面水平线所成的方位角
光入射角为、方位角为时传感器的测试值；
光垂直照射在测试面上，方位角为时传感器的测试值。
JJG 245-2005对仪器的评价标准如表1所示。
| 级别 | /% |
| 标准 | 2 |
| 一级 | 4 |
| 二级 | 5 |
表1 JJG 245-2005中余弦特性误差的评价标准。
日本的照度计检定规程JIS C1609-1-2006中对每个角度的方向性误差都要进行评价，评价标准如表2所示。
| 角度 | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° |
| 精密级照度计 | ±1 | 1.5 | ±2 | ±3 | ±4 | ±5 | ±8 | ±20 |
| AA级照度计 | ±1 | - | ±2 | - | ±6 | ±7 | - | ±25 |
| A级照度计 | ±1.5 | - | ±3 | - | - | ±10 | - | ±30 |
表 2 JIS C1609-1-2006 余弦响应误差要求
在进行光源照度颜色测量仪器的设计时，仪器余弦特性误差应符合JJG 245-2005或JIS C1609-1-2006规定要求。为了达到此目的，在光电积分原理的仪器设计中，通常在传感器件表面设计余弦校正器。余弦校正器有平板形、半球壳形等，使用半球壳形余弦校正器时可以达到很好的余弦修正效果：仪器的余弦响应的误差f2<2%。
在分光原理的仪器设计中，为了改善仪器的余弦响应，也在分光光路入射狭缝位置加装余弦校正器。但是，在采用光栅作为分光器件的分光光路设计中，光路的入瞳孔径对入射光角度有一定的限制，所以难以达到较好的余弦修正误差。
如图3所示的仪器设计中，采用半球形余弦校正器，分光光路入射狭缝的孔径角为±12.6°，在这种情况下，对入射角度相对法线大于±12.6°的光线不能经过入射狭缝到底传感器表面。实测的余弦响应数据如图4所示，余弦响应的误差f2大于10%以上，不能达到国家检定规程JJG245-2005或JISC1609-1-2006中对仪器余弦响应的误差的要求。
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余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，采用双传感器设计，一路采用分光光路结合阵列传感器对被测光源的光谱分布进行测量，另外一路采用硅光电二极管作为传感器件同时对被测光源信号进行检测，通过硅光电二极管的测量结果对分光光路结合阵列传感器的测量结果进行修正，改善测量结果余弦特性。
进一步的，光路部分采用半球壳形的余弦修正器，在半球的底面设置硅光电二极管，在底面的中心位置设置狭缝，作为分光光路的入射狭缝。
进一步的，在底面中心位置设置小孔，为分光光路的入射狭缝；采用三个硅光电二极管以入射狭缝为圆心，间隔120°放置，在底面成对称形排列。
进一步的，采用硅光电二极管和分光光路结合阵列传感器同时对被测光源进行测量，分别测得信号为和，其中，为可见光范围内（380-780nm）波长，
当被测光线从垂直于法线方向入射时，硅光电二极管信号与分光光路阵列传感器测得的光谱信号余弦响应特性一致，两种测得信号应为和：
公式（7）
公式（8）
其中为比例系数，为被测光源的在波长处的光功率分布，为硅光电二极管的相对光谱响应。
进一步的，当对光谱分布为的未知光源进行测试时，光线不沿法线方向入射时，假设硅光电二极管信号与分光光路阵列传感器测得的光谱信号余弦响应特性一致，两种测得信号应为和；
公式（9）
公式（10）
此时，公式（11）成立
公式（11）
但是，在光线不沿法线方向入射时，硅光电二极管的余弦响应误差是较小的，但是分光光谱信号的余弦响应误差很大；分光光谱信号的余弦响应误差不会影响分光光谱信号的相对光谱分布，所以分光光谱信号实际测试结果可以用下式表示：
公式（12）
其中，为修正系数，为实际情况下分光光路结合阵列传感器测量所得信号；
将公式（12）代入公式（11），
公式（13）
可求出修正系数
公式（14）
在测量时，取最终的测量结果为：
公式（15）。
进一步的，定标方法如下：
1. 采用N种定标光源对定标，得值，i = 0,1,2…N；
2. 根据对被测光源的分光光谱测量信号，在多种定标光源中进行选择，寻找与被测光源光谱形状最为接近的定标光源j；
3. 选择作为带入计算的校正系数。
进一步的，步骤2中，寻找与被测光源光谱形状最为接近的定标光源所采用的算法如下：
1. 将N种定标光源和被测光源的分光测试结果以最大值为100%进行归一化，得到N种定标光源和被测光源的相对光谱分布；
2. 分别计算被测光源和每一种定标光源相对光谱分布之间的相关系数(i=0,1,2…N)；计算方法为
代表被测光源光谱曲线中在波长处相对光谱强度；
代表被测光源光谱曲线相对光谱强度平均值，光谱分辨率为1nm时，=；
代表第i个定标光源光谱曲线中在波长处相对光谱强度；
代表第i个定标光源光谱曲线相对光谱强度平均值，光谱分辨率为1nm时，=；
被测光源和定标光源光谱形状越相似，越接近于1；在中寻找最接近于1的值，选择其对应的定标光源即为应选择的定标光源。
进一步的，所述N种定标光源为氙灯（色温6500K）、冷白LED（色温8200K）、卤钨灯（色温2850K）三种光源。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明的优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器同时采用两种采样方式：一种使用硅光电二极管作为传感器件进行光电积分测量；一种使用光栅作为分光器件、阵列传感器作为传感器件进行分光测量。使用聚四氟乙烯材料的半球形余弦校正器。建立数学模型，在算法上对两种采样结果进行综合运算。即保证了测量结果有较低的余弦响应误差；又可以得到被测光信号的光谱分布，保证较高的测量精度。
附图说明
图1是CIE1931标准色度观察者响应曲线图；
图2是CIE1931标准色度观察者响应曲线分成的两个部分的示意图；
图3是分光光路入瞳孔径的限制对余弦修正的影响示意图；
图4是实测余弦方向性误差示意图；
图5是本发明的测量仪器的光路示意图；
图6是硅光电二极管不对称时的示意图；
图7是不对称方向性余弦响应示意图；
图8是硅光电二极管对称设置示意图；
图9是卤钨灯光谱光谱图；
图10是氙灯光谱图；
图11是白光LED光谱图；
图12是修正前后余弦响应对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
为了使手持式光源颜色照度分光测量仪器能够测量出被测光源的光谱分布，又同时具有较好的余弦响应特性，本发明提出了一种新的设计思路，采用双传感器设计。一路采用分光光路结合阵列传感器对被测光源的光谱分布进行测量。另外一路采用硅光电二极管作为传感器件同时对被测光源信号进行检测。通过硅光电二极管的测量结果对光谱仪的测量结果进行修正，改善测量结果余弦特性。
本测量仪器光路部分设计如图5所示，采用半球壳形的余弦校正器1，在半球的底面设置硅光电二极管2，在底面的中心位置设置狭缝3，作为分光光路的入射狭缝。如果硅光电二极管在底面不处于中心位置，对不同方向的入射光的响应不一致，如图6所示，产生如图7所示的不对称方向性响应，所以采用三个硅光电二极管在底面成对称形排列。在底面中心位置设置小孔，为分光光路的入射狭缝，如图8所示。
修正数学模型的建立
采用硅光电二极管和分光光谱传感器同时对被测光源进行测量，分别测得信号为和。
其中，为可见光范围内（380-780nm）波长。
当被测光线从垂直法线方向入射时，光电池和分光光谱传感器余弦响应特性一致，两种测得信号应为和 ，如公式（7）所示。
公式（7）
公式（8）
其中为比例系数，为被测光源的在波长处的光功率分布，为硅光电二极管的相对光谱响应。
当对于光谱分布为的未知光源进行测试时，光线不沿法线方向入射时，假设光电池和分光光谱传感器余弦响应特性一致，两种测得信号应为和。
公式（9）
公式（10）
此时，公式（11）成立
公式（11）
但是，实际情况下，在光线不沿法线方向入射时，硅光电二极管的余弦响应误差是较小的，但是分光光谱信号的余弦响应误差很大。分光光谱信号的余弦响应误差不会影响分光光谱信号的相对光谱分布，所以分光光谱信号实际测试结果可以用下式表示。
公式（12）
其中，为修正系数，为实际情况下分光光谱传感器测量所得信号。
将公式（12）代入公式（11），
公式（13）
可求出修正系数
公式（14）
在测量时，取最终的测量结果为：
公式（15）
定标方法
本发明所提出的校正算法中，是要确定上文中的，对未知光源的分光光谱测量结果应用进行校正。为了确定的值，需要在仪器出厂前对进行定标测量。在应用仪器对不同定标光源进行定标测量，应用公式（14）计算时发现，的值在不同定标光源情况下不同。导致使用卤钨灯进行定标后，测量卤钨灯时，仪器余弦响应误差较小。但是，测量白光LED或氙灯时，仪器余弦响应误差较大。产生这种现象的原因是是在整个380nm至780nm的可见光范围内计算的，而不同光源的光谱覆盖范围不一致。
例如，卤钨灯的光谱分布如图9所示，其光谱分布在380-450nm处很低。氙灯光谱如图10所示，其光谱分布在380-780nm范围内都有较充足的光谱分布。而白光LED在380-420nm和700-780nm都几乎没有光谱分布，如图11所示。这种情况下，选取一种光源作为定标光源，对其它两种光源进行测量时，都会导致较大的仪器余弦响应误差。测量结果如表3所示。
| 测量卤钨灯f2 | 测量氙灯f2 | 测量LED | |
| 采用卤钨灯定标 | 1.7% | 5.5% | 6.1% |
| 采用氙灯定标 | 5.7% | 1.2% | 5.4% |
| 采用LED定标 | 7.0% | 4.3% | 1.5% |
表3 采用一种光源作为定标光源的仪器余弦响应误差(f2)。
为了减小误差，本发明设计了一种定标方案，定标方案流程如下：
1. 采用N种定标光源对定标，得值。I = 0,1,2…N。
2. 根据对被测光源的分光光谱测量信号，在多种定标光源中进行选择，寻找与被测光源光谱形状最为接近的定标光源j。
3. 选择作为带入计算的校正系数。
在上述定标方案的步骤2中，寻找与被测光源光谱形状最为接近的定标光源所采用的算法流程如下：
1. 将N种定标光源和被测光源的分光测试结果以最大值为100%进行归一化，得到N种定标光源和被测光源的相对光谱分布。
2. 分别计算被测光源和每一种定标光源相对光谱分布之间的相关系数(i=0,1,2…N)。计算方法为
代表被测光源光谱曲线中在波长处相对光谱强度；
代表被测光源光谱曲线相对光谱强度平均值，光谱分辨率为1nm时，=；
代表第i个定标光源光谱曲线中在波长处相对光谱强度；
代表第i个定标光源光谱曲线相对光谱强度平均值，光谱分辨率为1nm时，=
被测光源和定标光源光源光谱形状越相似，越接近于1。
3. 在中寻找最接近于1的值，选择其对应的定标光源即为应选择的定标光源。
仪器定标光源的选择
的值在不同定标光源情况下不同的原因是因为定标光源和被测光源光谱覆盖范围不一致导致的。所以在对定标光源选择时只需考虑定标光源的光谱覆盖范围，无需考虑定标光源的相对光谱分布。为了保证在可见光（380-780nm）范围内都有较充足的能量分布。在实际对仪器的定标中，我们选择了氙灯（色温6500K）、冷白LED（色温8200K）、卤钨灯（色温2850K）三种光源作为定标光源。
测试结果
应用上文介绍的方法，对实际测量结果进行检验。
对仪器采用氙灯、卤钨灯、冷白LED进行定标后，对D65、A、D50、F2、F10、F11、TL84、暖白LED、正白LED、冷白LED共计10种光源测试仪器的余弦响应误差(f2)，得到测量结果如表4所示。
| D65 | A | D50 | F2 | F10 | F11 | TL84 | 暖白LED | 正白LED | 冷白LED | |
| f2 | 1.7% | 2.1% | 1.2% | 1.5% | 1.8% | 1.3% | 1.3% | 1.9% | 2.2% | 1.0% |
表4采用3种光源作为定标光源后的仪器余弦响应误差(f2)
由于余弦修正效果与波长不相关，所以只对600nm处的采样数据进行评价。仪器余弦响应误差结果如图12所示。从如表4和图12所示的评价结果中可知，根据硅光电二极管采样结果对分光光路结合阵列传感器采样数据进行修正后，测量结果的余弦响应误差大大降低了。按照JIS C1609-1-2006和JJG245-2005的规定，符合一级照度计和AA级照度计对仪器余弦响应的要求。
Claims (7)
1.一种优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，采用双传感器设计，其特征在于：一路采用分光光路结合阵列传感器对被测光源的光谱分布进行测量，另外一路采用硅光电二极管作为传感器件同时对被测光源信号进行检测，通过硅光电二极管的测量结果对光谱传感器的测量结果进行修正，改善测量结果余弦特性；
光路部分采用半球壳形的余弦修正器（1），在半球的底面设置硅光电二极管（2），在底面的中心位置设置狭缝（3），作为光谱传感器的入射狭缝；所述硅光电二极管（2）在底面成对称形排列。
2.如权利要求1所述的优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，其特征在于：在底面中心位置设置小孔，为光谱传感器的入射狭缝；采用三个硅光电二极管（2）以入射狭缝为圆心，间隔120°放置，在底面成对称形排列。
3. 如权利要求1所述的优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，其特征在于：采用硅光电二极管（2）和光谱传感器同时对被测光源进行测量，分别测得信号为 和，其中，为380-780nm范围内波长，
当被测光线从垂直于法线方向入射时，硅光电二极管信号与光谱传感器测得的光谱信号余弦响应特性一致，两种测得信号应为和：
（7）
（8）
其中为比例系数，为被测光源的在波长处的光功率分布，为硅光电二极管的相对光谱响应。
4. 如权利要求3所述的优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，其特征在于：当对光谱分布为的未知光源进行测试时，光线不沿法线方向入射时，假设硅光电二极管信号与光谱传感器测得的光谱信号余弦响应特性一致，两种测得信号应为和；
公式（9）
公式（10）
此时，公式（11）成立
公式（11）
但是，在光线不沿法线方向入射时，硅光电二极管的余弦响应误差是较小的，但是分光光谱信号的余弦响应误差很大；分光光谱信号的余弦响应误差不会影响分光光谱信号的相对光谱分布，所以分光光谱信号实际测试结果可以用下式表示：
公式（12）
其中，为修正系数，为实际情况下光谱传感器测量所得信号；
将公式（12）代入公式（11），
公式（13）
可求出修正系数
公式（14）
在测量时，取最终的测量结果为：
公式（15）。
5.如权利要求4所述的优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，其特征在于：定标方法如下步骤：
步骤1、采用N种定标光源对定标，得值，i = 0,1,2…N；
步骤2、根据对被测光源的分光光谱测量信号，在多种定标光源中进行选择，寻找与被测光源光谱形状最为接近的定标光源j；
选择作为带入计算的校正系数。
6.如权利要求5所述的优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，其特征在于：步骤2中，寻找与被测光源光谱形状最为接近的定标光源所采用的算法如下：
将N种定标光源和被测光源的分光测试结果以最大值为100%进行归一化，得到N种定标光源和被测光源的相对光谱分布；
分别计算被测光源和每一种定标光源相对光谱分布之间的相关系数(i=0,1,2…N)；计算方法为
代表被测光源光谱曲线中在波长处相对光谱强度；
代表被测光源光谱曲线相对光谱强度平均值，光谱分辨率为1nm时，=；
代表第i个定标光源光谱曲线中在波长处相对光谱强度；
代表第i个定标光源光谱曲线相对光谱强度平均值，光谱分辨率为1nm时，=；
被测光源和定标光源光谱形状越相似，越接近于1；在中寻找最接近于1的值，选择其对应的定标光源即为应选择的定标光源。
7.如权利要求6所述的优化余弦响应设计的手持式光源颜色照度分光测量仪器，其特征在于：所述N种定标光源为氙灯、其色温为6500K，冷白LED、其色温为8200K），卤钨灯、其色温为2850K三种光源。
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