CN105628190A - 一种基于滤光单元的光辐射测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滤光单元的光辐射测量方法及其装置，通过引入少量校正滤光单元，无需大量窄波段滤色片即可获得整个探测波段内的光谱功率分布，还可利用该光谱功率分布校正由特征滤色单元的实际光谱响应函数和理论光谱响应函数的差异，对光色度量值引入的测量误差，还原待测目标真实的颜色、亮度等方面的信息，可适用于几乎所有类型的探测器，且具有操作简便、成本低、响应速度快、测量准确度高等特点。

Description

一种基于滤光单元的光辐射测量方法及其装置

【技术领域】

本发明属于光辐射测量领域，具体涉及一种基于滤光单元的光辐射测量方法及其装置。

【背景技术】

现有的光辐射测量主要包括两种途径，一种是通过测量待测目标的光谱功率分布，来获得光度色度量值；另一种是利用光电探测器与特征滤色片组合构成各种特征响应函数(如CIE三刺激值匹配函数、(明视觉/暗视觉/中间视觉)人眼光谱光视效率函数等)，获得待测目标的光度量和三刺激值等，从而计算出颜色等参数。相对于精确测量待测目标的光谱功率分布的技术方案，使用滤色片与光电探测器组合的光电探测系统显然在测量时间和成本上更有优势。

传统的利用光电探测器和滤色片组合对待测目标进行测量主要包括以下几种方法：

(1)在探测器(如硅光电池、黑白CCD等)前设置依次切入大量窄带滤色片(以380nm-780nm的可见光为例，为得到10nm精度，至少需要40个透光波段为10nm的窄带滤色片)，探测器分别接收不同窄带下的响应值，将多个响应值整合，从而实现探测波段内光谱功率分布的测量，再利用光谱功率分布获得各种光色度量值。该方法需要大量窄带滤色片相互切换，不仅成本高，且装置复杂、操作繁琐、耗时长。

(2)在探测器(如硅光电池、黑白CCD等)前分别设置具有不同光谱响应特性的滤色片，探测器本身的响应函数与不同滤色片构成不同的组合光谱响应函数，以实现不同光色度量值的测量。该方法无法得到待测目标的光谱功率分布，且受制于工艺、环境、成本等多方面因素，探测器与滤色片组合构成的实际光谱响应函数与理论响应函数(如CIE三刺激值光谱响应函数)的差异较大，导致测量准确度低，不能用于要求更高的精确测量领域。

此外，公告号为CN201464052U还公开了一种基于彩色CCD的多谱色辐射测温装置，通过在彩色CCD前设置一个三通道窄带光谱透过率响应特性的滤色片，上述的三个窄带光谱透过率响应具有红、绿、蓝三个单峰中心波长，测量时，光线通过该滤色片，即可同时获取多路不同光谱的测量信号，实现色温的测量，可满足高温温度场的测量需求，但该方法不能用于需要更多光谱测量的场合。

总之，现有技术或者采用测试成本较高的光谱仪、或者测量准确度低、或者操作繁琐、或者测试功能单一，无法兼具测量准确度高、功能强大、操作方便、成本低等效果。

【发明内容】

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种快速、精确、适用范围广泛的光辐射测量方法及其装置，利用有限的校正滤光单元即可实现待测目标的光谱功率分布的高精度快速测量，并基于测得的光谱功率分布以及理论特征响应函数，有效修正光电探测器实测响应值与真值之间的偏差，实现不同响应值的准确测量。

本发明通过以下技术方案实现：一种基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，包括一个或者多个探测单元、n(n≥2)种特征滤色单元、m(m≥2)个校正滤光单元，已知探测单元和特征滤色单元的组合光谱响应以及校正滤光单元的透过率；在探测单元前设置特征滤色单元和校正滤光单元，通过两者组合获得待测目标多个实测响应值；在待测波段内选取一个或以上采样区域，根据对应的实测响应值表达式联立方程组，计算出待测波段内的光谱功率分布。

本发明通过在探测单元前设置特征滤色单元和校正滤光单元，待测目标在不同特征滤色单元和不同校正滤光单元的组合作用下被探测单元接收，以获得待测目标的多个实测响应值；由于实测响应值对应特定的待测波段，在待测波段内选取若干个采样区域，因而上述实测响应值可通过校正滤光单元的透过率、探测单元和特征滤色单元的组合光谱响应、以及采样区域的平均光谱功率的进行数学表达，再将上述不同实测响应值的数学表达式联立方程，即可求解出各采样区域的平均功率，进而得到待测目标在待测波段内的光谱功率分布。

相比于仅在探测单元前设置特征滤色单元的现有技术，该技术方案在传统滤色单元和探测单元组合的现有技术基础上，创新性地引入少量校正滤光单元，即可获得待测目标的高精度光谱功率分布，并以此获得更高精度的特征响应值，无需传统光谱仪和其它复杂配置，具有测量准确度高、操作简便、功能强大、成本低等特点。

本发明还可通过以下技术方案进一步限定和完善：

通过m个校正滤光单元的组合设置确定相应的待测波段，获得待测波段的光谱功率分布的具体步骤如下：

1a)在同一特征滤色单元下、一个或者多个校正滤光单元下获得待测目标的某一实测响应值，在不同特征滤色单元的作用下，获得待测波段内n个实测响应值A₁、…A_k、…、A_n；

1c)在待测波段内选取w(1≤w≤n)个采样区域，选择w个实测响应值表达式联立方程组，计算出采样区域的平均功率P(λ₁)、…P(λ_i)…、P(λ_w)，即获得待测波段内的光谱功率分布。

在待测波段内，探测单元在经第k个特征滤色片的实测响应值表达式如下所示：

$A_k=\underset{i=1}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}P\left({\mathrm{\λ}}_1\right)I_k\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\λ}}_i\right){\mathrm{\Δ\λ}}_i---\left(1\right)$

其中Δλ_i是第i个采样区域的范围，P(λ_i)是第i个采样区域内的平均功率，I_k(λ_i)是在Δλ_i内第k个特征滤色单元和探测单元的组合光谱响应，τ(λ_i)是校正滤光单元在Δλ_i内的透过率。

需要指出的是，可选取的采样区域的个数取决于特征滤色单元的数量，在待测波段内选择的采样区域个数应小于或者等于特征滤色单元的数量，特征滤色单元的种类决定了采样区域实测响应值表达式的个数，具体地，可见式(1)中的w≤n。若选取的采样区域大于特征滤色单元的数量，则未知数(采样区域的平均功率)的数量大于方程的数量，方程组无法解出。

在待测波段内，采样区间Δλ_i和组合光谱响应I_k(λ_i)可以有不同的选取方式。Δλ_i可以等间距或者非等间距选取，采样区域互不交叠且所有采样区域之和覆盖整个校正波段。I_k(λ_i)则由特征滤色单元和探测单元的光谱响应函数结合得来，在Δλ_i波段内，I_k(λ_i)一般为固定值，该固定值可以为特征滤色单元和探测单元在Δλ_i波段内的光谱响应函数的平均值，也可以为两者组合光谱响应函数某一点处的响应值，或者为组合光谱响应函数的加权值。

以某一校正波段400nm—440nm为例，包括4种特征滤色单元，在该待测波段内选取4个采样区域(w＝4)：

◆该4个采样区域可以等间距选取，分别为400nm—410nm、410nm—420nm、420nm—430nm和430nm—440nm，则Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃和Δλ₄均为10nm，P(λ₁)、P(λ₂)、P(λ₃)和P(λ₄)分别是400nm—410nm、410nm—420nm、420nm—430nm和430nm—440nm的平均光谱功率，而I_k(λ₁)、I_k(λ₂)、I_k(λ₃)和I_k(λ₄)分别是探测单元和特征滤色单元的组合光谱响应在400nm—410nm、410nm—420nm、420nm—430nm和430nm—440nm的平均值。

◆该4个采样区域也可以非等间距选取，分别为400nm—404nm、404nm—412nm、412nm—424nm和424nm—440nm，则Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃和Δλ₄分别为4nm、8nm、12nm和16nm，P(λ₁)、P(λ₂)、P(λ₃)和P(λ₄)分别是400nm—404nm、404nm—412nm、412nm—424nm和424nm—440nm的平均光谱功率，而I_k(λ₁)、I_k(λ₂)、I_k(λ₃)和I_k(λ₄)分别是400nm—404nm、404nm—412nm、412nm—424nm和424nm—440nm的平均光谱响应。

所述的待测波段可以是带通滤光片的透光波段，或者带通滤光片和/或长通滤光片和/或短通滤光片的组合透光波段。特别地，在待测波段范围内，所有组合透光波段以外，也可以作为一个校正波段。此时，实测响应值为不加校正滤光片的总响应值减去所有组合透光波段内的响应值。例如，待测波段范围为400nm～600nm，可以采用400nm～440nm的带通滤光片、截止波长460nm的长通滤光片与截止波长500nm的短通滤光片组合、500nm～600m的带通滤光片与截止波长540nm的短通滤光片组合、500nm～600nm的带通滤光片与截止波长560nm的长通滤光片组合分别选择400nm～440nm、460nm～500nm、500nm～540nm、560nm～600nm的校正波段，所有组合透光波段以外的440nm～460nm、540nm～560nm可以共同作为一个校正波段。

待测波段的选择可以在整个待测波段范围内等波长间隔设置，以获得等波长间隔的光谱功率分布，或者校正波段设置在特征滤色片的差异区域内，以获取实际特征响应函数与理论特征响应函数的最大误差，得到更准确的校正响应值。所述的特征滤色片差异区域，是特征滤色片与探测单元的组合响应函数与理论响应函数的直接差值或者加权差值大于预定值的范围。

在获得待测目标的光谱功率分布后，已知所述的特征滤色单元所对应的理论特征函数，将探测波段内的光谱功率分布与对应的理论特征函数相结合，计算得到特征响应值，即各种光色度量值。例如，理论特征函数为人眼光谱光视效率函数，则可获得各种光度值；理论特征函数为CIE三刺激值匹配函数，则可获得待测目标对应的三刺激值。由于光谱功率分布直接与理论特征函数加权或者积分，可获得准确的光色度量值，测量准确度高。

根据待测目标的光谱功率分布和理论特征函数，利用光谱解析校正系数K修正实测响应值来得到高准确度的理论响应值，该光谱解析校正系数通过待测目标和定标光源的光谱功率分布、理论特征函数、探测单元和特征滤色单元的组合光谱响应计算获得，具体如下所示：

$K=\frac{\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}P{\left(\mathrm{\λ}\right)}_{t}L\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}{P\left(\mathrm{\λ}\right)}_S{I}_k\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}P{\left(\mathrm{\λ}\right)}_t{I}_k\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\underset{\mathrm{\λ}1}{\overset{\mathrm{\λ}2}{\∫}}P{\left(\mathrm{\λ}\right)}_{S}L\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

其中，P(λ)_t为待测目标的光谱功率分布，L(λ)为理论特征响应函数，I_k(λ)为探测单元和特征滤色单元的组合光谱响应函数，P(λ)_S为定标光源的光谱功率分布，(λ1,λ2)是探测单元的探测波段。

校正特征响应值可以在整个探测波段范围内直接利用光谱功率分布获得理论响应值，也可以通过计算各个校正波段范围内的响应值误差，对实测响应值进行校正，此时，校正波段的选择应当设置在特征响应函数的差异区域内。

作为一种技术方案，已知所述的特征滤色单元所对应的理论特征函数，利用探测波段内的光谱功率分布校正探测单元的实测响应值：

3a)不切入校正滤光单元，获得该特征滤色单元下的全波段实测响应值；

3b)在同一特征滤色单元下获得m个待测波段内的实测响应值，同时根据待测波段内的光谱功率分布与对应的理论特征函数计算其理论响应值，从而获得该待测波段内的响应值误差；

3c)利用3b)中的响应值误差校正全波段实测响应值，即可得到整个探测波段内的全波段校正响应值。

该技术方案在获得光谱功率分布的基础上，进一步校正探测单元的响应值，即待测目标的光色度量值。例如探测单元与某特征滤色单元的组合光谱响应函数为CIE三刺激值匹配函数的曲线，则可获得准确的值；若为曲线，则可获得准确的值；若为曲线，则可获得准确的值。

本发明还公开了一种为实现上述光辐射测量方法的测量装置，其特征在于，包括一个或者多个探测单元、n(n≥2)种特征滤色单元、m(m≥2)个校正滤光单元，已知探测单元和特征滤色单元的组合光谱响应以及校正滤光单元的透过率；在探测单元前设置特征滤色单元和校正滤光单元，光线经过校正滤光单元和特征滤色单元后被探测单元接收。

作为一种技术方案，所述的校正滤光单元为带通滤光片；或者校正滤光单元为带通滤光片和/或长通滤光片和/或短通滤光片的组合。一般地，在探测波段内设置带通滤光片，或者长通滤色片和短通滤色片组合构成带通区域，带通滤光片的透光波段或者带通区域位于探测单元的探测波段内；另外，还可以在探测波段两端分别设置长通滤色片和短通滤色片，以避免探测波段外的光线引入杂散光，确保测量准确度。本发明对校正滤光单元的数量没有特别的限制，一般地，在可见光波段内，校正滤光单元的数量m≤10，在满足光谱分辨率的同时，有效减少测量时间、设备成本和仪器体积。

本发明的特征滤色单元可以有多种实现的技术方案，例如：所述的特征滤色单元与探测单元的组合光谱响应为模拟CIE三刺激值响应，则可获得待测目标对应的三刺激值；或者所述的特征滤色单元与探测单元的组合光谱响应为模拟人眼光谱光视效率函数，可获得各种光度值；特征滤色单元还可以包括透过率恒为1的滤色片，即通孔。对应的，所述的理论特征函数可包括多种技术方案，例如理论特征函数为三刺激值的CIE颜色匹配函数、或者为CIE明视觉人眼光谱光视效率函数等。

作为一种技术方案，所述的校正滤光单元设置在校正轮上，通过校正轮的切换将不同校正滤光单元切入到探测单元前的光路中。校正轮可以为圆形轮盘，它通过转动的方式依次将不同的校正滤光单元切入到光路中，或者通过其它方式分别切入到光路中。特征滤色单元也可以设置在色轮上，通过与校正滤光单元类似的方式切入光路中，或者与探测单元相对固定。

本发明通过对探测单元和特征滤色单元的组合光谱响应函数与理论特征函数进行比较，并根据比较结果确定校正滤光单元的设置位置，以达到利用少量的校正滤光单元即可获得准确的光色度值的技术目的。在实际测量中，m个校正滤光单元在探测波段内可有多种设置方式，例如等波长间距设置、或者根据差异区域分布排列：

(a)若多个校正滤光单元的透光波段间隔相同，例如有6个透光波段均为40nm的带通滤光片，波长间隔为20nm，透光波段分别为420nm-460nm、480nm-520nm、540nm-580nm、600nm-640nm、660nm-700nm、720nm-760nm，若包括四种特征滤色单元，则根据获得光谱功率分布的方法，在每个透光波段内可获得10nm带宽的光谱功率分布。

(b)或者多个校正滤光单元根据差异区域分布排列。在探测波段内，将组合光谱响应函数及其相应的理论特征函数的直接差值或者加权差值大于预定值的波段确定为差异区域，在探测波段内，包括一个或者多个差异区域，将校正滤光单元设置在差异区域内。通过计算得到的光谱功率分布与理论响应函数获得理论响应值，利用理论响应值和实测响应值的误差校正总响应值。需要指出的是，这里的差异区域可以从实际光谱响应函数与理论特征函数的差值直接判断；或者考虑到待测目标光谱功率分布的影响，根据两者加权的差值判断。对于后者，由于无法得知待测光源的准确光谱功率分布，该方案的前提是已知待测光线的经验光谱功率分布(例如绝大多数白炽灯为连续光谱功率分布、LED灯在蓝光部分出现峰值等)来判断差异区域。

本发明中的探测单元为获得待测光线响应值的光电转换的最小集合，它可以为一个或以上单通道光电探测器组成，或者探测单元为多通道光电探测器等各种光电探测元器件。硅光电池是典型的单通道光电探测器，利用其进行色度测量时，将模拟CIE三刺激值匹配函数R(λ)、G(λ)、B(λ)的三个滤色片分别设置在硅光电池前，获得三刺激值，即三个响应值；然而，实际组合光谱响应函数与CIE三刺激值匹配函数差别较大，无法实现准确的色度量测量，利用本发明提供的测量方法，通过切入少量的校正滤光单元(如带通滤光片)即可实现三刺激值的校正，操作方便、成本低、测量准确度高。

CCD是典型的多通道光电探测器，目前一般采用模拟颜色响应特性的彩色CCD实现颜色测量，其不同的颜色响应与上文不同特征滤色单元相对应，在彩色CCD前设置带通滤光片，根据本发明公开的光谱测量方法，可得到不同带通滤色片下的每个彩色像素上的光谱功率分布，即得到高光谱。传统的获得高光谱的技术方案，通过在黑白CCD前设置多个窄波段带通滤色片，以获得该窄波段下的平均光谱功率；而本发明的技术方案，通过宽波段的带通滤色片，利用每个彩色像素上的响应值计算出该宽波段下的多个平均光谱功率，如上文所述，通过选取多个采样点，可获得该宽波段带通滤色片下的多个平均光谱功率，细化了光谱功率分布。具体地，若要在可见光波段(380nm—780nm)内获得10nm带宽的光谱功率，利用传统技术方案则需要40个10nm的带通滤色片，才能获得10nm带宽的平均光谱功率；若利用本发明的技术方案，彩色CCD为模拟R(λ)、G(λ)、B(λ)响应的阵列探测器，加上通孔，相当于设置了光谱响应函数恒为1的滤色片，总共有4个约束条件，若要实现10nm带宽的光谱功率，则需要6个40nm的带通滤色片即可实现，在确保测量准确度的前提下，大幅减少了带通滤色片的数量，简化了测量系统，提高了测量效率，降低了测量成本。

本发明的有益效果是通过引入少量校正滤光单元，无需色散元件或者大量窄波段滤色片即可获得整个探测波段内的光谱功率分布，还可利用该光谱功率分布校正由实际光谱响应函数和理论光谱响应函数的差异引入的测量误差，还原待测目标真实的颜色、亮度等方面的信息，可适用于几乎所有类型的探测器，且具有操作简便、成本低、响应速度快、测量准确度高等特点。

【附图说明】

附图1是彩色CCD像素响应的示意图。

附图2是颜色匹配函数和彩色CCD实际响应函数的示意图；

附图3是利用校正滤光单元获得的光谱功率分布与实际光谱功率分布的比较；

附图4是基于滤光单元的光辐射测量装置的示意图；

附图5是校正轮上设置的校正滤光单元的示意图。

1-探测单元；2-特征滤色单元；3-校正滤光单元；4-校正轮；5-驱动机构。

【具体实施方式】

实施例1

本实施例为基于滤光单元的光辐射测量方法，包括探测单元1、3种特征滤色单元2、5个校正滤光单元，校正滤光单元3为透光波段间隔为60nm的带通滤光片，如图1所示，探测单元1为阵列探测器，阵列探测器和3种特征滤色单元2组合构成彩色CCD，其组合光谱响应函数分别为R(λ)、G(λ)和B(λ)。

如图2所示，5个校正滤光单元3分别将探测波段划分为9个区域，分别400nm—460nm、460nm—480nm、480nm—540nm、540nm—560nm、560nm—620nm、620nm—640nm、640nm—700nm、700nm—760nm，其中校正滤光单元3的透光波段分别为400nm—460nm、480nm—540nm、560nm—620nm、640nm—700nm和700nm—760nm，其对应的透过率分别为τ₁(λ)、τ₂(λ)、τ₃(λ)、τ₄(λ)和τ₅(λ)。对于上述透光波段和非透光波段，本发明均可得到其光谱功率分布，进而可得到整个探测波段的光谱功率分布，具体过程如下：

对于透光波段的光谱功率分布，以400nm—460nm为例，在透过率为τ₁(λ)的同一校正滤光单元3、3种特征滤色单元2组合下获得3个实测响应值R₁、G₁和B₁，在400nm—460nm波段内选取3个采样区域，分别为400nm—420nm、420nm—440nm和440nm—460nm，则Δλ₁、Δλ₂和Δλ₃均为20nm，P(λ₁)、P(λ₂)和P(λ₃)分别是400nm—420nm、420nm—440nm和440nm—460nm的平均光谱功率，而R(λ_i)、G(λ_i)和B(λ_i)分别是探测单元1和特征滤色单元2的组合光谱响应在400nm—420nm、420nm—440nm和440nm—460nm的平均值，则3个实测响应值的表达式联立方程组，如下式所述：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=P\left({\mathrm{\λ}}_1\right)R\left({\mathrm{\λ}}_1\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\λ}}_1+P\left({\mathrm{\λ}}_2\right)R\left({\mathrm{\λ}}_2\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\λ}}_2+P\left({\mathrm{\λ}}_3\right)R\left({\mathrm{\λ}}_3\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\λ}}_3\\ G_1=P\left({\mathrm{\λ}}_1\right)G\left({\mathrm{\λ}}_1\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\λ}}_1+P\left({\mathrm{\λ}}_2\right)G\left({\mathrm{\λ}}_2\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\λ}}_2+P\left({\mathrm{\λ}}_3\right)G\left({\mathrm{\λ}}_3\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\λ}}_3\\ B_1=P\left({\mathrm{\λ}}_1\right)B\left({\mathrm{\λ}}_1\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\τ}}_1+P\left({\mathrm{\λ}}_2\right)B\left({\mathrm{\λ}}_2\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\τ}}_2+P\left({\mathrm{\λ}}_3\right)B\left({\mathrm{\λ}}_3\right){\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\Δ\λ}}_3\end{array}\right.$

根据上式，可计算出P(λ₁)、P(λ₂)和P(λ₃)，即计算出400nm—420nm、420nm—440nm和440nm—460nm波段对应的平均光谱功率分布。类似地，分别在不同的校正滤光单元3的作用下，获得所有校正滤光单元3透光波段内的光谱功率分布。

对于探测波段内、校正滤光单元3透光波段外的波段，即460nm—480nm、540nm—560nm和620nm—640nm，在将5个校正滤光单元3均依次切入光路后得到的实测响应值之和、与不放置校正滤光单元3的总实测响应值的差值，即为上述波段的实测响应值，然后在不同特征滤色单元2作用下获得3种实测响应值，将460nm—480nm、540nm—560nm和620nm—640nm波段作为采样区域，则3个实测响应值的表达式联立方程组，如下式所述：

$\left\{\begin{array}{c}R-\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R_i}{{\mathrm{\τ}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)}=P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)R^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_1\right){\mathrm{\Δ\λ}}_1^{\′}+P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_2\right){\mathrm{\Δ\λ}}_2^{\′}+P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_3\right)R^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_3\right){\mathrm{\Δ\λ}}_3^{\′}\\ G-\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{G_i}{{\mathrm{\τ}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)}=P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)G^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_1\right){\mathrm{\Δ\λ}}_1^{\′}+P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)G^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_2\right){\mathrm{\Δ\λ}}_2^{\′}+P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_3\right)G^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_3\right){\mathrm{\Δ\λ}}_3^{\′}\\ B-\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{B_i}{{\mathrm{\τ}}_i\left(\mathrm{\λ}\right)}=P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)B^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_1\right){\mathrm{\Δ\λ}}_1^{\′}+P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)B^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_2\right){\mathrm{\Δ\λ}}_2^{\′}+P^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_3\right)B^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_3\right){\mathrm{\Δ\λ}}_3^{\′}\end{array}\right.$

根据上式计算出460nm—480nm、540nm—560nm和620nm—640nm的平均光谱功率，与各个校正滤光单元(3)透光波段内的光谱功率分布相结合，即可得到整个探测波段内的光谱功率分布。如图3所示，图中为上述采样区域内的平均光谱功率，而实线为理论光谱功率分布，两者比较可看出，不利用光谱仪等装置，采用本发明的光辐射测量方法，即可准确获得待测波段内的光谱功率分布。同理，可利用上述方法，获得探测波段内、透光波段外的光谱功率分布，从而获得整个探测波段内的光谱功率分布。

在获得待测目标的光谱功率分布后，利用光谱功率分布进一步校正探测单元1的响应值，即待测目标的光色度量值。以与探测单元(1)的组合光谱响应函数为R(λ)的某一特征滤色单元2为例，在某个校正滤光单元3(例如透光波段为400nm—460nm)的作用下获得的获得其实测响应值R₁，根据已知该特征滤色单元2所对应的理论特征函数为X(λ)获得该特征滤色单元2的理论响应值R′₁：

R′₁＝P(λ₁)X(λ₁)τ₁(λ)Δλ₁+P(λ₂)X(λ₂)τ₁(λ)Δλ₂+P(λ₃)X(λ₃)τ₁(λ)Δλ₃

则该某个校正滤光单元的响应误差为ΔR₁＝R′₁-R₁，利用该响应误差即可校正该特征滤色单元2在不切入校正滤光单元3时的总实测响应值R。进一步地，可在不同的校正滤光单元3内进行校正，利用总校正误差来获得校正后的总实测响应值R′：

$R^{\′}=R+\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔR}}_i$

类似地，可利用上述校正方法校正不同特征滤色单元2下的实测响应值，获得准确的测量值。

表1不同特征滤色单元2下的实测响应值、校正值及其理论值

特征响应值	实测值	校正值	理论值
				R	116.50	81.01	84.89
G	69.90	51.63	48.34
				B	82.23	71.21	71.71

上从表可看出，相比于实测值，校正后的响应值可准确反映真实的理论响应值，即上述校正方法可获得更准确的响应值。

实施例2

本实施例为基于滤色单元的光辐射测量装置，包括探测单元1、4种特征滤色单元2、5个校正滤光单元3、校正轮4以及驱动机构5，校正滤光单元3为透光波段间隔为60nm的带通滤光片，5个校正滤光单元3设置在校正轮4上，通过驱动机构5依次切入到光路中；校正轮4、特征滤色单元5相对于探测单元1依次向内设置，探测单元1为阵列探测器，特征滤色单元2为三个滤色片和一个通孔，三个滤色片与阵列探测器组合构成彩色CCD，即其组合光谱响应函数分别为R(λ)、G(λ)和B(λ)。在探测单元1前设置特征滤色单元2和校正滤光单元3，光线经过校正滤光单元3和特征滤色单元2后被探测单元1接收。具体测试方法同实施例1。

Claims (18)

1.一种基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，包括一个或以上探测单元(1)、n(n≥2)种特征滤色单元(2)、m(m≥2)个校正滤光单元(3)，已知探测单元(1)和特征滤色单元(2)的组合光谱响应以及校正滤光单元(3)的透过率；在探测单元(1)前设置特征滤色单元(2)和校正滤光单元(3)，通过两者组合获得待测目标的多个实测响应值；在待测波段内选取一个或以上采样区域，根据对应的实测响应值表达式联立方程组，计算出待测波段内的光谱功率分布。

2.如权利要求1所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，通过m个校正滤光单元的组合设置确定相应的待测波段，获得待测波段的光谱功率分布的具体步骤如下：

a)在同一特征滤色单元(2)下、一个或者多个校正滤光单元(3)下获得某一实测响应值，在不同特征滤色单元(2)的作用下，获得待测波段内n个实测响应值；

b)在待测波段内选取w(1≤w≤n)个采样区域，选择w个实测响应值表达式联立方程组，计算出采样区域的平均功率。

3.如权利要求1所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，已知所述的特征滤色单元(2)所对应的理论特征函数，利用光谱功率分布校正探测单元(1)的实测响应值：

a)不切入校正滤光单元(3)，获得该特征滤色单元(2)下整个待测波段内的全波段实测响应值；

b)在同一特征滤色单元(2)下、不同待测波段下获得实测响应值，同时根据校正波段内的光谱功率分布与对应的理论特征函数计算其理论响应值，从而获得各校正波段内的响应值误差；

c)利用(b)中的响应值误差校正全波段实测响应值，即可得到全波段校正响应值。

4.如权利要求3所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，利用光谱解析校正系数来修正探测单元(1)的实测响应值，所述的光谱解析校正系数通过待测目标和定标光源的光谱功率分布、理论特征函数、探测单元(1)和特征滤色单元(2)的组合光谱响应计算获得。

5.如权利要求1或2或3所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，所述的待测波段为探测波段内、各个校正滤光单元的透光波段；或者所述的待测波段为探测波段内、m个校正滤光单元组合波段外的波段。

6.如权利要求3所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，在探测波段内包括一个或者多个差异区域，所述的校正波段设置在差异区域内，所述的差异区域为特征滤色单元(2)与探测单元(1)的组合光谱响应函数与相应的理论特征函数的直接差值或者加权差值大于预定值的波段。

7.如权利要求1或3所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，所述的待测波段在探测波段内等中心波长间距设置。

8.如权利要求1所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，所述的校正滤光单元(3)为带通滤光片和/或长通滤光片和/或短通滤光片的组合。

9.如权利要求1所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，所述的探测单元(1)为一个或以上单通道光电探测器组成；或者所述的探测单元(1)为多通道光电探测器。

10.如权利要求1或9所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，所述的探测单元(1)为阵列探测器，阵列探测器与特征滤色单元(2)组合构成彩色CCD。

11.为实施权利要求1的一种光辐射测量装置，其特征在于，包括一个或者多个探测单元(1)、n(n≥2)种特征滤色单元(2)、m(m≥2)个校正滤光单元(3)，已知探测单元(1)和特征滤色单元(2)的组合光谱响应以及校正滤光单元(3)的透过率；在探测单元(1)前设置特征滤色单元(2)和校正滤光单元(3)，光线经过校正滤光单元(3)和特征滤色单元(2)后被探测单元(1)接收。

12.如权利要求11所述的光辐射测量装置，其特征在于，所述的校正滤光单元(3)为带通滤光片；或者校正滤光单元(3)为带通滤光片和/或长通滤光片和/或短通滤光片的组合。

13.如权利要求11所述的光辐射测量装置，其特征在于，在可见光波段内，所述的校正滤光单元(3)的数量m≤10。

14.如权利要求11所述的光辐射测量装置，其特征在于，包括校正轮(4)，所述的校正滤光单元(3)设置在校正轮(4)上，通过校正轮(4)的切换将不同校正滤光单元切入到探测单元(1)前的光路中。

15.如权利要求11所述的光辐射测量装置，其特征在于，所述的探测单元(1)为一个或以上单通道光电探测器组成；或者所述的探测单元(1)为多通道光电探测器。

16.如权利要求11或15所述的基于滤光单元的光辐射测量方法，其特征在于，所述的探测单元(1)为阵列探测器，阵列探测器与特征滤色单元(2)组合构成彩色CCD。

17.如权利要求11所述的光辐射测量装置，其特征在于，所述的特征滤色单元(2)包括光谱响应函数恒为1的滤色片，即通孔。

18.如权利要求11所述的光辐射测量装置，其特征在于，所述的特征滤色单元(2)为仿CIE三刺激值响应的三种特征滤色单元(2)。