CN107209059A - 用于校准光谱辐射仪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准光谱辐射仪(1)的方法，所述方法具有以下方法步骤：通过借助待校准的光谱辐射仪(1)测量至少一个标准光源(4)的辐射来接收光测量数据；通过将所接收的光测量数据与所述标准光源(4)的已知数据进行比较，由所述光测量数据推导校准数据；并且根据所述校准数据校准所述光谱辐射仪(1)。本发明的任务是，提供一种用于校准所述光谱辐射仪(1)的可靠并且可行的方法。尤其应该以简单并且可靠的方式制造位于不同位置(9，10，11)上的光谱辐射仪(1)的同步性。为此，本发明提出，通过如下方式检验标准光源对于校准的有效性、即可用性：将所述标准光源(4)的光测量数据与一个或多个其他相同类型的标准光源(4)的光测量数据进行比较，其中，如果所述标准光源(4)的光测量数据彼此的偏差低于预给定的边界值，则确定所述标准光源(4)的有效性，和/或借助两个相同或不同类型的两个或更多个标准光谱辐射仪(1′)测量所述标准光源(4)，其中，如果借助所述不同的标准光谱辐射仪(1′)所接收的光测量数据彼此的偏差低于预给定的边界值，则确定所述标准光源(4)的有效性。

Description

用于校准光谱辐射仪的方法

技术领域

本发明涉及一种用于校准光谱辐射仪(Spektralradiometer)的方法，该方法具有以下方法步骤：

-通过借助待校准的光谱辐射仪测量至少一个标准光源的辐射来接收光测量数据；

-通过将所接收的光测量数据与标准光源的已知数据进行比较，由光测量数据推导校准数据；

-根据所述校准数据校准光谱辐射仪。

背景技术

光谱辐射仪是用于测量光源的例如在可见光谱范围中的光谱的设备，其中，由测量的光谱强度分布推导色度参量和光度参量。光谱辐射仪用于表征并且校准用于最不同的应用的光源。典型地，光谱辐射仪包括用于测量光谱的光谱仪。在此，光谱仪提供以作为波长的函数的辐射强度形式的数字测量数据。这些测量数据借助光谱辐射仪的计算单元换算成色度参量(例如颜色坐标x、y、z)和/或光度参量或辐射度参量(例如光通量)。

例如在发光二极管的生产场地中使用光谱辐射仪，以便在其色度参量和光度参量方面测量发光二极管并且相应地对发光二极管进行分类。同样在(例如用于LCD平面屏幕的)显示器的生产场地中使用光谱辐射仪，用于测量明度(Helligkeit)、亮度(Leuchtdichte)、颜色等。在这种生产场地中，通常很多光谱辐射仪并行工作。为了确保产品的均匀的质量，并行工作的光谱辐射仪的同步性是至关重要的。在此，同步的意思是，在具有相同的辐射光谱的测量对象的情况下，并行工作的光谱辐射仪提供基本上相同的光测量数据(光谱强度分布、色度参量和光度参量)。为此目的，必须定期校准光谱辐射仪。在此，在较大时间间距中执行的根本的校准与更经常执行的也可称为修正(Korrektur)的校准(Kalibrierung)之间进行区分，其中，在所述修正的范围内，补偿由于漂移(Drift)出现的非常小的系统性测量误差。

由WO 2014/011729 A1已知一种用于校准颜色测量设备的、即用于实现多个颜色测量设备的同步的方法，其中，将待校准的颜色测量设备与标准化的颜色测量设备进行比较。为此，不仅借助待校准的颜色测量设备并且借助标准化的颜色测量设备测量受检产品(Prüfling)(典型地在明确定义的照明和观察几何(Beobachtungsgeometrie)下的彩色图案)。由如此获得的光测量数据的比较推导校准数据，在所述校准数据的基础上校准颜色测量设备。

虽然，之前已知的方法确保了并行使用的设备的同步性。但是不利的是，校准的质量随着标准化设备的校准而保持或下降。如果标准化设备的校准不正确，那么该错误传输到整个设备上。尤其不利的是，仅可以在一个位置处、即在标准化设备位于的地方确保同步。但是，例如发光二极管或显示器的生产在多个生产位置上分布，使得也必须确保在不同的生产位置处并行使用的设备的同步性。

发明内容

在此背景下，本发明的任务在于提供一种用于校准光谱辐射仪的可靠且可行的方法。尤其应该以简单且可靠的方式可以制造位于不同位置的光谱辐射仪的同步性。

本发明从开始所提到的方式出发通过如下方式解决所述任务：检验标准光源对于校准的有效性、即可用性，其方式是：

-将所述标准光源的光测量数据与一个或多个其他相同类型的标准光源的光测量数据进行比较，其中，如果所述标准光源的光测量数据的偏差低于预给定的边界值，则确定所述标准光源的有效性，和/或

-借助相同或不同类型的两个或更多个标准光谱辐射仪测量所述标准光源，其中，如果借助不同的标准光谱辐射仪所接收的光测量数据彼此的偏差低于预给定的边界值，则确定所述标准光源的有效性。

根据本发明，因此使用包括两个或更多个设备的校准标准系统(Kalibriernormal)用于校准所述光谱辐射仪，即在可能的构型中使用两个或更多个(优选三个)相同类型的标准光源，将其光测量数据彼此进行比较，以便以所述方式确保用于确定分别用于校准光谱辐射仪的标准光源的有效性的一致性检验。因此可以可靠地识别单个设备的变化或提前老化。如果在比较标准光源的光测量数据时确定了高于预给定的边界值的偏差，则这意味着，在任何情况下，这些标准光源中的一个已经历了老化或其特性的其他变化，使得不可以使用所述标准光源用于光谱辐射仪的校准，否则相应的光谱辐射仪的校准相应于所述标准光源的变化是错误的。如果标准光源的光测量数据的比较得出高于预给定的边界值的偏差，则必须首先根本地重新校准所有标准光源，尽可能以如下方式实现：所述校准可复原到国家标准。为了一致性检验、即为了比较标准光源的光测量数据，可以使用光谱辐射仪或也可以使用颜色测量设备。替代地或补充地，根据本发明使用的校准标准系统可以由一个标准光源以及两个或更多个(优选三个)光谱辐射仪(在此为了与待校准的光谱辐射仪区分，称为标准光谱辐射仪)组成。借助标准光谱辐射仪，可以确定：标准光源的光测量数据是否与该标准光源的已知数据一致。换言之，通过借助标准光谱辐射仪对标准光源的测量来确定：标准光源的光谱是否还相应于标准光源的校准或该光谱是否已变化。对于标准光源的有效性的标准就此方面而言是：借助标准光谱辐射仪所接收的光测量数据与该标准光源的期望数据的一致性。另一标准是：借助校准标准系统的不同的标准光谱辐射仪所接收的光测量数据基本上一致，即借助不同的标准光谱辐射仪所接收的光测量数据彼此的偏差低于预给定的边界值。由此，再实现一致性检验，以便避免用于检验标准光源所使用的标准光谱辐射仪的错误的校准传递到光谱辐射仪的校准上。如果确定了这种偏差，那么必须重新校准标准光谱辐射仪以及如有必要尽可能以可复原到国家标准来重新校准标准光源。

根据本发明的方法的优点是：由此不仅可以可靠地确保位于一个位置的光谱辐射仪的同步性，而且也以简单且可行的方式确保多个位于不同位置处的光谱辐射仪的同步性，其方式是：也就是说以可复原到国家标准定期地或在确定偏差时重新校准位于相应的位置的校准标准系统(多个标准光源、多个标准光谱辐射仪)。

因此，本发明的主要方面是，换句话说是将用于校准位于相应的位置的光谱辐射仪的本地校准标准系统与本地校准标准系统的基于统一的、优选国家标准的校准相结合来使用。由此确保位于不同位置的所有光谱辐射仪的同步性。

在根据本发明的方法的优选构型中，最迟在预给定的时间区间结束之后基于一个或多个标准光源来校准校准标准系统的标准光源或标准光谱辐射仪。只要前面所描述的一致性检验得出了高于预给定的边界值的偏差，则更早进行所述校准。作为基准光源(Standardlichtquelle)，自身已知的类型(例如氩气灯或汞蒸气灯)的线灯(Linienlampen)或激光(例如氦氖激光)以在相应于相应的原子跃迁的已知并且明确定义的波长的情况下的光谱线适合于校准波长尺度。在定义的运行参数的情况下具有已知的发射光谱的其他光源(例如卤素灯)适合用于光谱设备敏感度的校准。当为此合适地选择了光源和测量装置时，光谱设备敏感度的校准可以在绝对尺度(Skala)(例如流明/纳米)上实现。发光二极管提供了另一用于实现校准光源的可行方案，其中，由于可见光谱的边缘范围中的低发光强度，这种光源不太适合用于根本的校准。为此目的定期地在国家检验实验室(在德国例如在布伦瑞克的联邦物理技术研究院(PTB))中检验并且如有必要重新校准所使用的基准光源，以便以这种方式确保可复原到国家标准。所提到的基准光源特别好地适合于执行根据本发明的方法，因为所述基准光源是容易运输的并且可以在不同的位置使用，以便在那里分别在需要时或周期性地校准校准标准系统。

为了确保位于不同位置的所有光谱辐射仪的同步性，应该因此在本发明的意义上以同样的方式、即在使用同样的标准光源或同样的标准光谱辐射仪的情况下校准位于一个位置处的光谱辐射仪。

除此之外，应该以同样的方式、即可能地基于同样的基准光源校准位于不同位置的本地校准标准系统、即标准光源或标准光谱辐射仪。因此，根据本发明，通过使用本地校准标准系统，在基于基准光源实现的校准之间的时间中，确保位于一个位置的光谱辐射仪的同步性。基于上面所描述的一致性检验(Konsistenzprüfung)确定在校准周期期间出现的偏差，使得在需要时可以提早开始新的校准。

根据本发明的另一方面，使用发射白光的发光二极管作为标准光源，所述发光二极管具有发射第一波长范围的辐射的半导体元件以及至少一种发光材料，所述发光材料将第一波长范围的辐射的一部分转化成第二波长范围的辐射。

由现有技术已知发射白光的发光二极管，其具有仅一个唯一的半导体元件，该半导体元件在第一波长范围内发射。所述第一波长范围大多位于蓝色光谱范围中。借助一个或多个发光物质将蓝色辐射部分地转化成第二(第三、第四等)波长范围的辐射，其中，混合辐射由第一波长范围中的辐射和第二(第三、第四等)波长范围中的辐射得出白光。例如已知白光发光二极管，其中，在蓝色光谱范围中发射的发光材料与在黄色光谱范围中发射的半导体元件相结合地使用。同样已知白光发光二极管，其中，将在蓝色光谱范围中发射的半导体元件与如下发光材料相结合：所述发光材料在绿色和红色光谱范围中发射，使得造成的混合光又得出白色的颜色印象。

应该在稳定的温度和流过半导体元件的稳定的电流的情况下运行白光发光二极管以用于使用根据本发明的标准光源。以这种方式确保了所发射的光的明确定义的且可重复的光谱。为此目的，标准光源包括调节装置，该调节装置将发光二极管的运行参数调节到恒定的值。

使用基于白光发光二极管的标准光源具有如下优点：可以特别紧凑、稳定、可运输、成本有利并且以长的重新校对周期实现相应的标准光源。基于白色发射光谱，标准光源是普遍可使用的。所述校准作用于整个可见光谱。因此，所述校准对于借助光谱辐射仪所测量的光度参量和色度参量是有效的。

在根据本发明的方法的优选构型中，光谱辐射仪的校准包括相应的光谱辐射仪的光谱仪的波长尺度的通过如下方式的修正：使所测量的光谱的光谱极值的位置与标准光源的已知光谱的光谱极值的位置基本上一致。白光发光二极管的光谱具有明确定义的光谱极值(尤其蓝色光谱范围中的明显的最大值)，使得波长尺度的修正可以可靠地并且以高准确性实现。

补充地或替代地，所述校准可以包括光谱敏感度的取决于波长的通过如下方式的修正：使经修正的所测量的光谱的取决于波长的强度变化过程与标准光源的已知光谱的取决于波长的强度变化过程基本上一致。如前面所提到的那样，白光发光二极管具有明确定义的光谱，可以使用所述光谱用于相应的光谱辐射仪的光谱仪的不仅波长尺度的而且波长敏感度的可靠的且准确的校准。为此目的，在第一步骤中进行波长尺度的修正，并且在第二步骤中进行光谱敏感度的校准。光谱敏感度的校准可以在波长尺度的校准之后简单地通过将所测量的光谱的取决于波长的强度变化过程与标准光源的已知光谱的取决于波长的强度变化过程进行比较以及通过相应的取决于波长的修正来实现。替代地，可以基于模型确定尽可能准确地反映所述强度变化过程的参数。这具有如下优点：可以消除测量信号中的噪声成分并且可以在光谱范围中的如下位置对模型进行外插：在所述位置由于标准光源的有限的发射光谱而不存在有用的测量结果。

附图说明

以下根据附图进一步阐述本发明的实施例。附图示出：

图1：具有标准光源的光谱辐射仪的示意图；

图2：根据本发明的方法以框图的示图；

图3：基于白光发光二极管作为标准光源的校准的图示。

具体实施方式

图1示意性地示出光谱辐射仪1，所述光谱辐射仪包括光谱仪2和与之连接的计算单元3。所述光谱仪2测量光源的光谱并且以数字形式提供取决于波长的强度变化过程。所述测量数据传递给计算单元3。所述光谱仪2例如包括色散元件(典型地网格)以及具有多个光敏像素的CCD元件，所述色散元件在空间上分离所测量的辐射的光谱分量，其中，每个像素基于空间布置分配有确定的波长区间。计算单元3分析处理以数字形式存在的光谱并且由此计算光度参量和/或色度参量，例如颜色坐标x、y、z。

为了校准光谱辐射仪1，根据本发明使用标准光源4。所述标准光源包括光发射元件5，例如发光二极管，所述发光二极管与调节装置6连接。调节装置6给光发射元件5供给能量并且将其运行参数(例如电流、电压和温度)调节到预给定的恒定值。以这种方式确保，光发射元件5具有明确定义的、已知的发射光谱。

在所示出的实施例中，为了校准的目的，借助光谱辐射仪1通过测量标准光源4的辐射接收同样的光测量数据。标准光源4具有数据存储器7，在所述数据存储器中存储有标准光源4的例如以发射光谱和/或光度数据和/或色度数据的形式的已知数据。通过数据连接8，光谱辐射仪1读取所述数据。计算单元3将所接收的光测量数据与标准光源4的所读取的已知数据进行比较并且由此推导校准数据。最后，根据所述校准数据实现光谱辐射仪1的校准。在此，所述校准借助合适的修正算法实现，所述合适的修正算法通过计算单元3应用到光测量数据上。例如可以直接修正光度最终结果或色度最终结果(例如颜色坐标)。如果将从标准光源4接收的光测量数据与标准光源4的已知数据进行比较例如得出颜色坐标的以某个差值的偏差，那么修正算法在随后的测量中相应于所述差值改变所述颜色坐标。相应地也适用于光度参量，例如光通量、亮度等。替代地，可以即在由所述光谱推导光度参量和/或色度参量之前修正所测量的光谱。为此，可以取决于波长地应用对波长尺度的修正以及对光谱敏感度的修正。这还以下在参考图3的情况下进一步阐述。

图2直观表示根据本发明的用于校准多个光谱辐射仪1的方法，所述多个光谱辐射仪位于不同的、即彼此远离的位置9、10、11。在位置9、10、11处，可以例如涉及发光二极管或显示器的生产位置。在位置9、10、11的每个位置处，分别使用本地校准标准系统，所述本地校准标准系统包括三个标准光谱辐射仪1′以及多个标准光源4。如上面参考图1所描述的那样，在使用标准光源4中的一个的情况下校准光谱辐射仪1的每个。在校准光谱辐射仪1之前，分别检验标准光源对于校准的有效性、即可用性，其方式是：借助位于相应的位置9、10、11的三个标准光谱辐射仪1′测量每个标准光源4，其中，如果在通过所述一致性检验所接收的光测量数据彼此的偏差低于预给定的边界值，则确定所涉及的标准光源4的有效性。除此之外，对于标准光源4的有效性的确定的前提是：借助标准光谱辐射仪1′所接收的光测量数据与期望数据、即与相应的标准光源4的已知数据的偏差小于预给定的边界值。典型地，允许的偏差小于期望值的5％，优选小于1％。基于每个位置9、10、11处分别三个标准光谱辐射仪1′的有效性的检验确保了，校准的通过标准光谱辐射仪1′预给定的基础是正确的。如果一致性检验得出偏差，那么可以推断出，光谱辐射仪1′中的一个不再可靠地工作。借所确定的偏差的机会，重新校准相应的本地的校准标准系统的所有标准光谱辐射仪1′。在此，使用至少三个标准光谱辐射仪1′具有以下优点：在一致性检验中确定的偏差能够实现提示如下信息：标准光谱辐射仪1′中的哪个是所涉及的。因此可以暂时借助两个未涉及的标准光谱辐射仪1′继续进行该过程。所述标准光谱辐射仪1′可以是相同类型的、即相同结构类型的或不同类型的。使用不同类型的标准光谱辐射仪1′具有如下优点：也可以识别并且消除系统性偏差(例如由于波动的温度或空气湿度)，因为不同类型的设备分别不同地对环境条件的改变作出反应。

在确定偏差时，但是最迟在预给定的时间区间结束之后，基于基准光源12根本地重新校准标准光谱辐射仪1。如上面所阐述的那样，基准光源12可以涉及一个线灯或多个线灯的组与具有明确定义的发射光谱的一个卤素灯或多个卤素灯的组合。位于不同位置9、10、11处的标准光谱辐射仪1′的校准以同样的方式、即基于同样的基准光源12实现，为此，将所述基准光源12从位置到位置9、10、11地运输。周期性地在认证的实验室13中、例如在国家检验实验室中验证或校准基于卤素灯的标准光源12的发射光谱。线灯不需要校准，因为线灯是通过原子跃迁的性质不可变地被限定的并且作为物理标准具有不受限的有效性。以这种方式保证了，所有的光谱辐射仪1的校准可复原到统一的(国家的)标准。通过本地校准标准系统与用作转化标准系统的标准光源12的根据本发明的组合确保了，在不同的位置9、10、11处的所有光谱辐射仪1的同步性。

根据本发明，标准光源4作为光发射元件5可以具有发射白光的发光二极管，所述发光二极管具有发射第一波长范围(例如蓝色光谱范围)中的辐射的半导体元件以及至少一种发光材料，所述发光材料将第一波长范围的辐射的一部分转化成第二波长范围(例如在绿色/红色光谱范围中)的辐射。图3的上面的曲线图示意性地以取决于波长的强度I(λ)的形式示出这种发光二极管的发射光谱。实线的曲线示出白光发光二极管的实际的发射光谱。可以看到蓝色光谱范围(左侧)中的极值以及绿色/红色光谱范围(右侧)中的更宽的极值。虚线的曲线反映借助待校准的光谱辐射仪1所测量的光谱。可以看到，极值相对于彼此移动(由上图中垂直的虚线表示)。除此之外，极值的相对强度相对于实际的发射光谱移动。这表明，光谱辐射仪1的光谱仪2在波长尺度并且也在敏感度的方面需要修正、即校准。为此，光谱辐射仪1的计算单元3应用修正算法，所述修正算法在第一步骤中执行光谱辐射仪1的波长尺度的通过如下方式的修正，使所测量的光谱的光谱极值的位置与标准光源4的已知光谱的光谱极值的位置一致。例如可以使用线性缩放(lineare Skalierung)，所述线性缩放造成波长尺度的移动以及伸展/压缩。在第二步骤中，实现光谱敏感度的取决于波长的修正。为此，所测量的光谱、即取决于波长的强度变化过程除以标准光源4的已知的取决于波长的强度变化过程。结果在图3的下面的曲线图中示出(实线的曲线)。所述除法的结果是，由测量引起的噪声可能不期望地增强。为了补偿所述噪声，使合适的曲线(例如多项式)匹配于通过所述除法所得出的曲线(图3的下面的曲线图中的虚线的曲线)。在所述匹配中，仅考虑通过在下面的曲线图中的两个垂直的虚线示出的区间内的值。在光谱的位于所述区间外的边缘处，所述值由于所测量的光谱的低强度是不可用的。最后，修正算法根据所匹配的曲线修正所测量的光谱，在此在整个相关的光谱范围上对所匹配的曲线进行外插。以这种方式应用的修正算法在整个光谱范围上具有有效性。相应地，也自动正确地修正借助计算单元3在应用修正算法之后所确定的结果、即光度参量和/或色度参量。

Claims (8)

1.一种用于校准光谱辐射仪(1)的方法，所述方法具有以下方法步骤：

通过借助待校准的光谱辐射仪(1)测量至少一个标准光源(4)的辐射来接收光测量数据；

通过将所接收的光测量数据与所述标准光源(4)的已知数据进行比较，由所述光测量数据推导校准数据；

根据所述校准数据校准所述光谱辐射仪(1)，

其特征在于，

检验所述标准光源(4)对于校准的有效性、即可用性，其方式是：

将所述标准光源(4)的光测量数据与一个或多个其他相同类型的标准光源(4)的光测量数据进行比较，其中，如果所述标准光源(4)的光测量数据彼此的偏差低于预给定的边界值，则确定所述标准光源(4)的有效性，和/或

借助相同或不同类型的两个或更多个标准光谱辐射仪(1′)测量所述标准光源(4)，其中，如果借助所述不同的标准光谱辐射仪(1′)所接收的光测量数据彼此的偏差低于预给定的边界值，则确定所述标准光源(4)的有效性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，最迟在预给定的时间区间结束之后基于一个或多个基准光源(12)校准所述标准光源(4)或所述标准光谱辐射仪(1′)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以同样的方式、即在使用同样的标准光源(4)或同样的标准光谱辐射仪(1′)的情况下校准多个位于一个位置(9，10，11)处的光谱辐射仪(1)。

4.根据权利要求2和3所述的方法，其特征在于，以同样的方式、即基于同一个或同样的多个基准光源(12)校准位于不同位置(9，10，11)处的标准光源(4)或标准光谱辐射仪(1′)。

5.一种用于校准光谱辐射仪(1)的方法，尤其根据权利要求1至4中任一项，所述方法具有如下方法步骤：

通过借助待校准的光谱辐射仪(1)测量至少一个标准光源(4)的辐射来接收光测量数据；

通过将所接收的光测量数据与所述标准光源(4)的已知数据进行比较，由所述光测量数据推导校准数据；

根据所述校准数据校准所述光谱辐射仪(1)，

其特征在于，

所述标准光源(4)包括发射白光的发光二极管(5)，所述发射白光的发光二极管具有发射第一波长范围的辐射的半导体元件以及至少一种发光材料，所述发光材料将所述第一波长范围的辐射的一部分转化成第二波长范围的辐射。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述校准包括所述光谱辐射仪(1)的波长尺度的通过如下方式的修正：使所测量的光谱的光谱极值的位置与所述标准光源(4)的已知光谱的光谱极值的位置基本上一致。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述校准包括光谱敏感度的取决于波长的通过如下方式的修正：使经修正的所测量的光谱的取决于波长的强度变化过程与所述标准光源(4)的已知光谱的取决于波长的强度变化过程基本上一致。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述标准光源(4)包括调节装置(6)，所述调节装置调节所述发光二极管(5)的运行参数、尤其流过所述半导体元件的电流和所述半导体元件的温度。