CN104378861A - 一种色温可调黑体光源及其色温调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种色温可调黑体光源，包括大积分球、小积分球、氙灯光源、光纤分束器、卤钨灯光源、选光组件、可变光阑、光谱采集系统以及主控系统；大积分球与小积分球通过可变光阑相连；氙灯光源通过光纤分束器与大积分球相连；卤钨灯光源与大积分球相连；光纤分束器与大积分球之间设置选光组件；卤钨灯光源与大积分球之间设置选光组件；光谱采集系统设置在小积分球出光口下方；主控系统分别与选光组件、光谱采集系统、氙灯光源、卤钨灯光源相连。本发明提供了一种能够准确、可靠、便于操作的一种色温可调黑体光源及其色温调节方法。

Description

一种色温可调黑体光源及其色温调节方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种色温可调黑体光源及其色温调节方法，尤其涉及一种针对300nm～1100nm近似绝对黑体普朗克曲线形式的可调光源及其色温调节方法。

背景技术

光是由光源发出的。凡是能发射紫外线、可见光、红外线等各种电磁辐射的物质都可称为光源，其中又有自然光源和人造光源之分。常见的自然光源有太阳光、昼空、夜空、月和星等，人造光源的范围更广，包括热辐射或温度辐射光源、气体放电光源、固体发光光源、激光器等各种类型，还有蜡烛、油灯、火焰、电弧等也属于人造光源。在光源中黑体是一种能利用较为简单的公式直接表述的一种光源，它又称为普朗克辐射体或完全辐射体，属于热辐射或温度辐射类型。绝对黑体的光谱分布特性可以由普朗克公式确定。黑体是实验室内、实验室之间相互比对的标准，具有举足轻重的作用。在光学计量、光学测试中的应用非常广泛，尤其在星等模拟、彩色定标、相机辐射度定标方面都经常使用。但一款色温调节范围广泛、谱线形状标准的黑体光源却不易获得。

中国专利申请201010172593.1公开了一种白光LED灯色温和光通连续调节的方法，该白光LED灯色温调节方法是通过涂有三基色荧光粉的灯筒，利用两个UVLED芯片的发光强度，以激发三基色荧光粉，实现色温和光通连续可调。此方法仅仅是实现色温的简单调节，无法完成普朗克辐射体谱线形状的调节。

中国专利申请200910036845.5公开了一种色温可调LED灯及其色温调节方法，该LED灯是通过红绿蓝LED灯群通过自身CPU内部算法，利用调节不同颜色LED灯群的发光亮度，实现色温和亮度的调整。此方法也仅仅是实现色温的简单调节，无法完成普朗克辐射体谱线形状的调节。

中国专利申请201110389680.7公开了一种LED色温调节系统及方法，该方法是利用微处理器和具有两个驱动模块的恒流驱动单元、由不同的色温的两个LED模块组成的LED发光单元，其主要亮点在于通过恒流驱动单元实现色温的改变，最终输出配比后的色温。但此种方法依旧是通过两种不同色温谱段进行色温匹配，不能输出连续的谱线形状如普朗克公式的绝对黑体谱线。

要实现在300～1100nm波长范围内，2500K到10000K色温范围内能量可调的绝对黑体光源，在星等模拟、彩色定标、相机辐射度定标等方面具有广泛的需求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能够准确、可靠、便于操作的一种色温可调黑体光源及其色温调节方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种色温可调黑体光源，其特征在于：包括大积分球、小积分球、氙灯光源、光纤分束器、卤钨灯光源、选光组件、可变光阑、光谱采集系统以及主控系统；所述大积分球与小积分球通过可变光阑相连；所述氙灯光源通过光纤分束器与大积分球相连；所述卤钨灯光源与大积分球相连；光纤分束器与大积分球之间设置选光组件；卤钨灯光源与大积分球之间设置选光组件；光谱采集系统设置在小积分球出光口下方；所述主控系统分别与选光组件、光谱采集系统、氙灯光源、卤钨灯光源相连。

上述选光组件包括设在积分球上的电控可变光阑与高斯谱型滤光片，电控可变光阑用于调整输入大积分球的能量和谱线形状。

上述大积分球共有11个入口，1个出口，入口用于接收氙灯、卤钨灯光能，出口用于将匀化后的光能输出至小积分球。

上述光纤分束器为1路分7路石英光纤束。

上述光谱采集系统采用海洋光学的MAYA2000型光纤光谱仪。

一种色温可调黑体光源的色温可调方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)点亮氙灯、卤钨灯光源，待其稳定；

2)主控系统控制选光组件中的可变光阑分别开启，仅开启一个光阑，其余光阑关闭；

3)开启光阑按其最小步距进行运动，每运动一步光谱采集系统便采集一组辐照度信息，光阑位置和辐照度信息一一对应，作为后续色温调节的初始数据，直到光阑全开为止；

4)重复步骤2)、3)，分别对每个选光组件对应的光源进行初始数据采集，采集的辐照度信息都寄存在主控系统内部数据库中；

5)为主控系统输入需要获取光源的色温值，主控系统根据普朗克公式计算相应色温下对应的黑体辐射光谱能量分布曲线并进行归一化处理；

6)主控系统根据计算得到的光谱辐射出射度函数以及内部数据库中的数据，根据最小二乘法得到最优解，最优解实际对应的就是每个电控光阑所对应的光阑位置；

7)主控系统根据计算得到的光阑位置，发出控制指令，驱动各个光阑移动到位；

8)通过光纤光谱仪测试小积分球内(即小积分球出光口处)光谱辐照度，并与所需要的目标绝对黑体光谱辐照度进行比对，进入精细调节环节；

9)主控系统根据获得的实际曲线的误差，微量调整各光阑位置，直到获得光谱辐照度曲线与目标绝对黑体光谱辐照度曲线误差小于5％，结束微量调整环节，至此，整个色温调整环节结束。

上述步骤5)中普朗克公式如下式所示：

$M_{\mathrm{b\λ}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\frac{c_2}{e^{\mathrm{\λT}}}-1}$

其中：M_bλ为绝对黑体的光谱辐射出射度，单位为：W·cm^-2·μm^-1；

λ为波长，单位为μm；

T为绝对黑体的绝对温度，单位为K(开尔文)；

c₁＝2πhc²＝3.741844×10^-12W·cm²为第一辐射常数；

c₂＝ch/k＝1.438833cm·K，为第二辐射常数；

本发明的优点是：

本发明先利用主控系统控制各电控可变光阑逐步扫描完成不同位置对应不同谱线及能量的一一映射关系，通过光谱采集系统进行采集记录，并录入数据库中，方便后续色温匹配的调用。

本发明考虑到氙灯和卤钨灯的稳定度和高能量，超越传统的利用LED进行色温匹配的光源能量不高、稳定性不够的缺点，实现了较强功率、高稳定度的色温调整能力。

本发明首次使用高斯谱型滤光片，此类滤光片可以从稳定的氙灯、卤钨灯光源谱线中提取较为连续、平滑、稳定的谱线，为后续色温匹配算法提供了流畅的子函数模型，方便利用最小二乘逼近法完成色温匹配。

本发明利用氙灯前端和卤钨灯后端谱线，从300nm～650nm每隔100nm使用7种高斯谱型滤光片从氙灯中进行光谱选择，从650nm～1100nm每隔200nm使用4种高斯谱型滤光片从卤钨灯中进行光谱选择，最终实现了稳定光谱的提取，并为后续色温的匹配奠定了基础。

本发明中使用了高重复定位精度的电控可变光阑，提高了色温调节的精度和稳定度。

本发明中使用了高精度、高灵敏度的光纤光谱仪作为最终光谱数据的采集，提高了结果的可靠性。

本发明中使用了紫外增强型的氙灯，提高了紫外波段能量的幅度，并且在积分球内壁使用了紫外波段高反射率的涂层，在高色温情况下具有显著能力。

附图说明

图1是本发明所提供的空间光学系统探测能力检测系统的结构示意图；

图2是本发明中选光组件的结构示意图；

图3是本发明中所采用氙灯和卤钨灯的光谱辐射度曲线图；

图4是本发明高斯谱型滤光片光谱透过率曲线图

其中：

1-大积分球；2-小积分球；3-氙灯光源；4-光纤分束器；5-卤钨灯光源；6-选光组件；7-电控可变光阑；8-高斯谱型滤光片；9-可变光阑；10-光谱采集系统；11-主控系统。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种色温可调黑体光源，该色温可调黑体光源包括大积分球1、小积分球2、氙灯光源3、光纤分束器4、卤钨灯光源5、选光组件6、可变光阑9、光谱采集系统10、主控系统11；所述大积分球1与小积分球2通过可变光阑9相连；所述氙灯光源3通过光纤分束器4与大积分球1相连；所述卤钨灯光源5与大积分球1相连；光纤分束器3与大积分球1之间设置选光组件6；卤钨灯光源5与大积分球1之间设置选光组件6；光谱采集系统10设置在小积分球2出光口下方；所述主控系统11分别与选光组件6、光谱采集系统10、氙灯光源3、卤钨灯光源5相连。

大积分球共有11个入口，1个出口，入口用于接收氙灯、卤钨灯光能，出口用于将匀化后的光能输出至小积分球。

氙灯光源3选用紫外增强型光源，紫外端能量会有显著提高。

光纤分束器为1路分7路石英光纤束。

参见图2，选光组件6包括电控可变光阑7与高斯谱型滤光片8，用于调整输入大积分球的能量和谱线形状。电控可变光阑重复定位精度可达1um，提高了色温可调黑体光源的精度。高斯谱型滤光片的透过率曲线为类高斯分布形状，便于通过11路类高斯光谱分布曲线获取目标函数谱线。

光谱采集系统选用海洋光学的MAYA2000型光纤光谱仪。

主控系统是用来控制可变光阑运动的，其具体的算法封装于主控系统内部，简单的说就是有一个控制软件，其反馈信息来源于光谱采集系统，若用户需要多少色温的普朗克曲线，那么主控系统便会根据所需普朗克曲线的形式进行相关可变光阑的调节，调节后整个光源所能输出的谱线形式是用光谱采集系统进行采集反馈的。若所输出曲线有所出入，则再次进行迭代运算重新调整，直到获取满足需求的谱线。

本发明主要利用选光组件6中的电控可变光阑7与高斯谱型滤光片8对稳定工作下的氙灯光源3、卤钨灯光源5进行能量以及谱型的自动选择，最终通过大积分球1、小积分球2进行匀化，获得了一种可调色温的黑体光源。氙灯和卤钨灯的光谱辐射度曲线如图3所示，氙灯在短波方向能量较强，但长波处有多处次峰，卤钨灯在长波方向能量较强，两种灯互相补充，可以实现300～1000nm波段的光谱融合。通过电控可变光阑与高斯谱型滤光片配合，可以实现氙灯光源650nm以上波长，谱线多处次峰的有效抑制，也可实现根据卤钨灯光源在红端显著增幅光谱特性的选通。这样，既利用了紫外增强型氙灯光源短波部分的有效能量，又利用了卤钨灯光源在长波部分的稳定能量。另外，通过设计类高斯透过率的高斯谱型带通滤光片(滤光片光谱透过率曲线见图4)，在不同光谱分段区域，提取所需光谱能量，利用最小二乘拟合法，于积分球1内部实现2600K～9800K黑体辐射曲线的基本融合，在积分球2内完成所拟合光谱的均匀输出。高斯谱型滤光片的具体参数见表1，其中心波长以及半高宽的选择具有相应规律的，即要保证相邻波段具有交叠区域，另外，由于高斯谱型的透过率曲线都非常平滑，更利于最终11个光路产生较为平滑的谱线，最终实现不同色温黑体光源的融合。

表1

序号	中心波长	半高宽
			1	300	100
2	350	100
			3	400	100
4	450	100
			5	500	100
6	550	100
			7	600	100
8	700	200
			9	800	200
10	900	200
			11	1000	200

氙灯光源与卤钨灯光源通过电源控制在额定功率下工作，其稳定性可达1％5小时。氙灯光源输出的能量通过光纤分束器分成7路，光纤分束器由石英光纤束组成，其能量利用率很高。光纤分束器的氙灯能量经由选光组件进入大积分球内，选光组件中的电控可变光阑用来调整进入积分球的氙灯能量，高斯谱型滤光片用来选取不同波长范围的氙灯能量，并改变了最终进入大积分球内部的辐射曲线特征。卤钨灯光源直接经由选光组件进入大积分球内，选光组件的作用与对应氙灯选光组件的作用相同。被选通的光线镜头大积分球的匀化，经由可变光阑进入小积分球内再次匀化形成较为均匀的光。可变光阑用以调整最终小积分球所能输出光的能量。光谱采集系统采集口位于小积分球出光口下部，用以反馈最终小积分球出光口处光谱辐照度值。根据普朗克公式可知不同色温对应的谱线各不相同，需要本发明黑体光源输出哪个色温光，只需通过主控系统中的输入对话框进行设置，主控系统便会根据输入的参数，使用普朗克公式计算相应光谱辐射出射度曲线，进而通过主控系统内部数据库信息以及相应匹配拟合算法，计算各个选光组件中的电控可变光阑需要移动到的位置。主控系统控制各个电控可变光阑进行零位初始化操作，然后再移动至计算的光阑位置，以保证运动的重复定位精度。光谱采集系统在小积分球采集光谱信息，通过内部算法可以计算得到小积分球内色温。采集的光谱曲线与主控系统中通过普朗克公式计算谱线误差大于±5％时，主控系统会根据内部算法微量调整需要移动的电动可变光阑，以保证模拟光谱曲线的精度。

同时，本发明还提供了一种基于如上所述的一种色温可调黑体光源的检测方法，该方法包括以下步骤：

1)点亮氙灯、卤钨灯光源，待其稳定后进入下一步骤；

2)主控系统控制选光组件中的可变光阑分别开启，仅开启一个光阑，其余光阑关闭。

3)开启光阑按其最小步距进行运动，每运动一步光谱采集系统便采集一组辐照度信息，光阑位置和辐照度信息一一对应，作为后续色温调节的初始数据，直到光阑全开为止。

4)重复2)、3)步骤，分别对每个选光组件对应的光源进行初始数据采集，采集的辐照度信息都寄存在主控系统内部数据库中，方便后续计算的调用。

5)为主控系统输入需要获取光源的色温值，主控系统根据普朗克公式计算相应色温下对应的黑体辐射光谱能量分布曲线并进行归一化处理，普朗克公式如下式所示：

$M_{\mathrm{b\λ}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\frac{c_2}{e^{\mathrm{\λT}}}-1}$

其中：M_bλ为绝对黑体的光谱辐射出射度，单位为：W·cm^-2·μm^-1；

λ为波长，单位为μm；

T为绝对黑体的绝对温度，单位为K(开尔文)；

c₁＝2πhc²＝3.741844×10^-12W·cm²为第一辐射常数；

c₂＝ch/k＝1.438833cm·K，为第二辐射常数；

6)主控系统根据计算得到的光谱辐射出射度函数以及内部数据库中的数据，根据最小二乘法得到最优解。最优解实际对应的就是每个电控光阑所对应的光阑位置。

7)主控系统根据计算得到的光阑位置，发出控制指令，驱动各个光阑移动到位。

8)通过光纤光谱仪测试小积分球内(即小积分球出光口处)光谱辐照度，并与所需要的目标绝对黑体光谱辐照度进行比对，进入精细调节环节。

9)主控系统根据获得的实际曲线的误差，微量调整各光阑位置，直到获得光谱辐照度曲线与目标绝对黑体光谱辐照度曲线误差小于5％，结束微量调整环节。

10)色温调节完成后，可通过大积分球与小积分球之间的可变光阑来调整小积分球输出能量幅度。

本发明的一种色温可调黑体光源，具备在300nm～1100nm光谱范围内，按照普朗克公式对应的黑体谱线，实现2500K～10000K范围内色温的自动调节。其色温调节精度可以达到5％以内，其光谱能量接近瓦级，不仅在功率密度上超越传统的利用LED进行色温模拟的系统，而且稳定度也很高，可以达到3％10小时。

本发明的一种色温可调黑体光源，其光谱采集系统和主控系统互相制约，实现闭环式自反馈功能，可以通过自动方式实现色温的调节。

本发明中的色温调节方法运用先单点采样扩充数据库内容，后运用最小二乘算法逼近目标函数的方法，相当于使用多组已知连续函数进行目标函数的拟合，本方法计算简洁、流畅，非常适合在工程中运用。

本发明的一种色温可调黑体光源非常适合在星等模拟、彩色定标、相机辐射度定标等方面进行应用，而且还可以继续推广实现各类不规则谱线谱型光源的模拟，其工程应用范围广泛，值得被大力推广。

Claims (7)

1.一种色温可调黑体光源，其特征在于：包括大积分球、小积分球、氙灯光源、光纤分束器、卤钨灯光源、选光组件、可变光阑、光谱采集系统以及主控系统；所述大积分球与小积分球通过可变光阑相连；所述氙灯光源通过光纤分束器与大积分球相连；所述卤钨灯光源与大积分球相连；光纤分束器与大积分球之间设置选光组件；卤钨灯光源与大积分球之间设置选光组件；光谱采集系统设置在小积分球出光口下方；所述主控系统分别与选光组件、光谱采集系统、氙灯光源、卤钨灯光源相连。

2.根据权利要求1所述的色温可调黑体光源，其特征在于：所述选光组件包括设在积分球上的电控可变光阑与高斯谱型滤光片，电控可变光阑用于调整输入大积分球的能量和谱线形状。

3.根据权利要求2所述的色温可调黑体光源，其特征在于：所述大积分球共有11个入口，1个出口，入口用于接收氙灯、卤钨灯光能，出口用于将匀化后的光能输出至小积分球。

4.根据权利要求1或2或3所述的色温可调黑体光源，其特征在于：所述光纤分束器为1路分7路石英光纤束。

5.根据权利要求4所述的色温可调黑体光源，其特征在于：所述光谱采集系统采用海洋光学的MAYA2000型光纤光谱仪。

6.一种色温可调黑体光源的色温可调方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)点亮氙灯、卤钨灯光源，待其稳定；

2)主控系统控制选光组件中的可变光阑分别开启，仅开启一个光阑，其余光阑关闭；

3)开启光阑按其最小步距进行运动，每运动一步光谱采集系统便采集一组辐照度信息，光阑位置和辐照度信息一一对应，作为后续色温调节的初始数据，直到光阑全开为止；

4)重复步骤2)、3)，分别对每个选光组件对应的光源进行初始数据采集，采集的辐照度信息都寄存在主控系统内部数据库中；

5)为主控系统输入需要获取光源的色温值，主控系统根据普朗克公式计算相应色温下对应的黑体辐射光谱能量分布曲线并进行归一化处理；

6)主控系统根据计算得到的光谱辐射出射度函数以及内部数据库中的数据，根据最小二乘法得到最优解，最优解实际对应的就是每个电控光阑所对应的光阑位置；

7)主控系统根据计算得到的光阑位置，发出控制指令，驱动各个光阑移动到位；

8)通过光纤光谱仪测试小积分球内(即小积分球出光口处)光谱辐照度，并与所需要的目标绝对黑体光谱辐照度进行比对，进入精细调节环节；

9)主控系统根据获得的实际曲线的误差，微量调整各光阑位置，直到获得光谱辐照度曲线与目标绝对黑体光谱辐照度曲线误差小于5％，结束微量调整环节，至此，整个色温调整环节结束。

7.根据权利要求6所述的色温可调黑体光源的色温可调方法，其特征在于：所述步骤5)中普朗克公式如下式所示：

$M_{\mathrm{b\λ}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{e^{\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}}-1}$

其中：M_bλ为绝对黑体的光谱辐射出射度，单位为：W·cm^-2·μm^-1；

λ为波长，单位为μm；

T为绝对黑体的绝对温度，单位为K(开尔文)；

c₁＝2πhc²＝3.741844×10^-12W·cm²为第一辐射常数；

c₂＝ch/k＝1.438833cm·K，为第二辐射常数。