CN111442840A - 一种积分球光度计光谱响应测量方法和系统 - Google Patents

一种积分球光度计光谱响应测量方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种积分球光度计光谱响应测量方法及系统，包括积分球光度计和三个及以上峰值波长不同的参考光源，积分球光度计由积分球和宽带光探测器组成，宽带光探测器安装在所述积分球的球壁上。参考光源出射光入射至积分球内，获取积分球光度计系统接收到的总光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n），且通过宽带光探测器读取积分球内混合光线的光度计的响应Mi（i=1,2,…n），建立方程组，通过数值求解得到积分球光度计的光谱响应度Srel（λ）。

Description

一种积分球光度计光谱响应测量方法和系统
技术领域
本发明涉及光电测试领域，具体涉及一种积分球光度计光谱响应测量方法和系统。
背景技术
积分球光谱仪和积分球光度计是常用的光度测量装置，其中积分球光度计因具有高灵敏响应度、大线性动态范围等优点，在弱光测量领域具有独特的应用优势，尤其适用于micro LED 和MiniLED等弱光产品测量。
积分球光度计在测量光度值时通常存在光谱失匹配误差，特别是对于窄带光源的测量，由光谱失匹配所引起的测量误差则很大。因此，对积分球光度计系统的光谱失匹配误差进行评估和失匹配校正是很有必要的，这也是目前的CIE文件及相关TC推荐的。光谱失匹配误差评估及失匹配校正必须基于整个测量系统的综合光谱响应度，对于积分球光度计系统，应综合考虑包括积分球在内的整个系统的光谱响应度而不仅仅是光度计自身的，目前CIE等相关的技术文件中也有对此提出要求，但对于其测量目前还没有比较好的方法。
目前，常用的探测器光谱响应度测量方法是采用基于可调谐激光或基于灯-单色仪系统的光谱比较装置，如NIST的SIRCUS系统和SCF系统。通过生成带宽较窄的单色光源，比较被测探测器与参考探测器的读数，以获得被测探测器的光谱响应度。此类方法对实验室环境和设备要求都较高，且从经济成本等方面考虑亦不适用于工业应用。此外，若将积分球光度计系统看作一个整体，采用以上的光谱比较装置，与具有溯源光谱响应率的参考探测器相比较，积分球光度计系统的灵敏度也可能达不到，并且还增加了测量校正的复杂性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种积分球光度计光谱响应测量方法和系统，旨在解决现有技术对积分球光度计的光谱响应测量的技术难题。
本发明公开了一种积分球光度计的光谱响应度测量方法，包括由积分球和宽带光探测器组成的积分球光度计，所述的宽带光探测器安装在所述积分球的球壁上，其特征在于，使用所述的积分球光度计测量三个及以上峰值波长不同的参考光源，根据所述参考光源的光谱辐射通量和积分球光度计对所述参考光源的响应，计算积分球光度计的光谱响应度，具体包括以下步骤：
步骤a：三个及以上峰值波长不同的所述参考光源的出射光分别入射到积分球内，读取积分球光度计的响应Mi（i=1,2,…n），其中n为所述参考光源的数量；
步骤b：获取所述入射到积分球内的参考光源的光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n）；
步骤c：建立如下的方程组，其中Srel（λ）为积分球光度计的光谱响应度
Figure 316377DEST_PATH_IMAGE001
。
步骤d：通过数值求解得到积分球光度计的光谱响应度Srel（λ）
具体的，三个及以上峰值波长不同的参考光源其光谱相互交叠，参考光源出射光入射至积分球内，积分球上配置的宽带光探测器用于获取述积分球内混合光线的光度值Mi（i=1,2,…n），其中宽带光探测器的响应是具有溯源性的，宽带光探测器的对于入射光单元的被测光的相对光谱响应度曲线与人眼光视效率函数曲线或平坦直线匹配；参考光源出射光的光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n）为事先通过其它精度更高的系统定标或后续测量获取。每个参考光源均可获取一组光度值和光谱辐射通量，因此三个及以上峰值波长不同的参考光源可获取3组及以上的Mi，Pi（λ）（i=1,2,…n）（n≥3）值，再根据公式得到方程组，对方程组进行数值计算，得到积分球光度计的光谱响应度值，达到对积分球光度计系统的光谱响应度进行分析的目的。
作为一种技术方案，所述的参考光源为LED光源，所述LED光源由光谱相互交叠的单色光LED和/或白光LED组成。
具体的，LED光源波长分布并覆盖指定波段范围，且光谱相互交叠。LED光源的光谱辐射通量可事先测得或在积分球上配置光谱仪来获取。以系列单色LED作为光源，积分球光度计系统的光谱响应度测量会受到LED种类、数量、带宽等因素的影响。在指定波段范围内，参考光源出射的光的带宽越窄，由于出射光的光谱需相互交叠，因此需要更多指定波段的参考光源，则可获得更多组的Mi和Pi，基于公式，最终得到的积分球光度计系统的光谱响应度准确度越高。
作为一种技术方案，所述的光谱辐射通量Pi（λ）是绝对值，或者所述的光谱辐射通量Pi（λ）是相对值。
绝对值是指绝对光谱辐射通量，而相对值则是某一个绝对光谱响应度除以某个不变的系数。例如当参考光源的光通过一个固定光阑入射到积分球内时，其绝对光谱辐射通量为光谱辐射照度与面积的乘积，即可以通过有溯源的辐射度计测得的辐照度Ei与入光孔径面积A计算得到。
作为一种技术方案，所述参考光源为具有特征波长的激光器，或者所述参考光源有两个及以上具有特征波长的激光器组成。
具体的，激光光谱功率通量Pi已知或者通过光谱仪测量得到。根据光谱响应度Srel（λ）数值求解公式可知，采用激光作为参考光源可得到较好的结果，但成本较高，且激光功率的大小需根据积分球的尺寸进行调整。
作为一种技术方案，所述参考光源的入射光通过所述积分球壁上的入射窗口进入积分球，所述入射光阑处设置有可切入切出光路的校准探测器，用于获取所述参考光源的辐射通量。
具体的，参考光源的辐射通量由所述的校准探测器测量的辐射照度与所述的入射光阑面积相乘获得。
可选的，所述入射光阑的尺寸可根据测试需求调整。
作为一种技术方案，在积分球壁上设置与校准过的光谱辐射计相连接的测量窗口，用于获取所述参考光源的光谱辐射通量。
作为一种技术方案，所述的参考光源较为具有均匀出光面的可调光源。
另一方面，本发明还公开了一种积分球光度计的光谱响应度测量系统，包括积分球光度计和三个及以上峰值波长不同的参考光源；所述积分球光度计由积分球和宽带光探测器组成，所述的宽带光探测器安装在所述积分球的球壁上，所述积分球上设置有入射窗口；所述参考光源的出射光通过所述入射窗口入射到所述积分球内。
具体的，三个及以上峰值波长不同的参考光源覆盖指定波段范围，每个参考光源的出射光通过积分球上的入射口入射到积分球内，设置在积分球壁上的宽带光探测器获取所述积分球内混合光线的光度值Mi。
作为一种技术方案，还包括入射光阑和校准探测器，所述入射光阑设置在积分球的所述入射窗口的外侧，所述校准探测器设置在所述入射光阑的光阑口上，并可切入或切出光路。
具体的，校准探测器可切入或切出光路，设置在光阑口上，可测量参考光源照度值，测得的照度值乘以入射光阑面积，便可获取所述参考光源的绝对辐射通量。
作为一种技术方案，包括光谱辐射计和设置在积分球壁上的测量窗口。
具体的，光谱辐射计事先经过校准，可用于获取所述参考光源的光谱辐射通量；
作为一种技术方案，所述积分球内设置有散光装置。
具体的，以激光器作为光源，大功率激光容易对积分球的涂层产生损坏需对测量光束的功率密度进行合理的衰减，以满足光学测量元件的量程范围，散光器可降低入射激光的功率密度，减少大功率激光对光路上的光学元件的影响，提高光学元件对测量结果的准确性，在保证积分球响应的同时，不损伤积分球涂层。
附图说明
附图1为本发明实施例中一种积分球光度计光谱响应测量方法的流程示意图；
附图2为本发明实施例中采用LED光源的一种积分球光度计光谱响应测量系统的结构示意图；
附图3为本发明实施例中采用LED面光源的一种积分球光度计光谱响应测量系统的结构示意图；
附图4为本发明实施例中采用LED光源的一种积分球光度计光谱响应测量系统的结构示意图；
附图5为本发明实施例中采用LED光源的一种积分球光度计光谱响应测量系统的结构示意图；
附图6为本发明实例中用于采用激光器的一种积分球光度计光谱响应测量系统的结构示意图；
1—积分球；2—宽带光探测器；3—入射窗口；4-1—LED光源；4-2—激光器；4-3—积分球面光源；5—衰减装置；6-散光装置；7—光谱测量窗口；8—光谱辐射计；9—校准探测器；10-入射光阑；11-挡板；12-光分束器；13-监测装置。
具体实施方式
实施例一
本发明提供的一种积分球光度计光谱响应测量系统的实施例，如图1，2所示，包括：LED光源4-1、积分球1，积分球1壁上设置有宽带光探测器2，积分球1上还设有入射窗口3，LED光源4-1可依次出射三个及以上指定波段的光线。
积分球光度计光谱响应测量方法包括以下步骤：
（1）LED光源4-1出射三个及以上指定波段，且光谱相互交叠的光线；
（2）事先获取LED光源4-1出射光线的光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n）；
（3）LED光源4-1依次出射的光线通过入射窗口3入射至积分球1内；
（4）通过宽带光探测器2获取积分球内混合光线的光度值Mi（i=1,2,…n）；
（5）根据LED光源4-1所出射光线的光度值Mi和光谱辐射通量Pi（λ），数值求解得到积分球光度计的光谱响应度S rel （λ）（i=1,2,…n）：
Figure 651543DEST_PATH_IMAGE001
。
实施例二
本发明提供的一种积分球光度计光谱响应测量系统的实施例，如图1，3所示，与实施例一相比，光源为积分球面光源4-3，且在面光源的出光面设具有可拆卸的光谱辐射计8。
积分球光度计光谱响应测量方法包括以下步骤：
（1）积分球面光源4-3通过调节出射三个及以上指定波段，且光谱相互交叠的光线；
（2）位于积分球面光源4-3出光面上可拆卸的辐射度计，用于获取积分球面光源4-3出射光线的光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n）；
（3）积分球面光源4-3出射的光线通过入射窗口3入射至积分球1内；
（4）通过宽带光探测器2获取积分球内混合光线的光度值Mi（i=1,2,…n）；
（5）根据积分球面光源4-3所出射光线的光度值Mi和光谱辐射通量Pi（λ），数值求解得到积分球光度计的光谱响应度S rel （λ）（i=1,2,…n）：
Figure 318148DEST_PATH_IMAGE001
实施例三
本发明提供的一种积分球光度计光谱响应测量系统的实施例，如图1，4所示，与实施例一相比，增加了光谱测量窗口7及光谱辐射计8，光谱测量窗口7设置在积分球1壁上，光谱辐射计8的接收端设置于光谱测量窗口3上。
积分球光度计光谱响应测量方法包括以下步骤：
（1）LED光源4-1出射三个及以上指定波段，且光谱相互交叠的光线；
（2）光源模块4-1依次出射的光线入射至积分球1内；
（3）通过宽带光探测器2获取积分球1内混合光线的光度值Mi（i=1,2,…n）；
（4）通过光谱辐射计8获取LED光源4-1出射光线的光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n）
（5）根据LED光源4-1所出射光线的光度值Mi和光谱辐射通量Pi（λ），数值求解得到积分球光度计的光谱响应度S rel （λ）（i=1,2,…n）：
Figure 396962DEST_PATH_IMAGE001
。
实施例四
本发明提供的一种积分球光度计光谱响应测量系统的实施例，如图1，5所示，与实施例三相比，增加了入射光阑10及校准探测器9，入射光阑10设置在积分球1的入射窗口3外侧，校准探测器9可切入切出光路，设置在入射光阑10的光阑口上，用于获取入射至积分球1内的光的辐射照度值。同时还包括：积分球1内设有挡板11；LED光源4-1前设有光分束器12；监测装置13用于测量光分束器12分出的监测光束。
积分球光度计光谱响应测量方法包括以下步骤：
（1）LED光源4-1采用多种单色LED作为参考光源，出射三个及以上指定波段，且光谱相互交叠的光线；
（2）LED光源4-1依次出射的光线经过光分束器12分为测量光束和监测光束，监测装置13测量监测光束，测量光束入射至积分球1内；
（3）通过宽带光探测器2获取积分球内混合光线的光度值Mi（i=1,2,…n）；
（4）通过光谱辐射计8获取LED光源4-1出射光线的相对光谱辐射通量；
（5）通过校准探测器9获取辐照度E i 并结合入射光阑10的面积A，计算得到LED光源4-1入射至积分球内的光线的绝对光谱辐射通量Pi（i=1,2,…n）=E i ·A，并对光谱辐射计8获取相对光谱辐射通量值进行校准，得到积分球光度计系统接收到的总光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n）；
（6）根据LED光源4-1所出射光线的光度值Mi和校准后的总光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n），数值求解得到积分球光度计的光谱响应度S rel （λ）（i=1,2,…n）：
Figure 81891DEST_PATH_IMAGE001
实施例五
本发明提供的一种积分球光度计光谱响应测量系统的实施例，如图1，6所示，与实施例一相比，参考光源为4-2激光器，且增加了衰减装置5和散光装置6。
积分球光度计光谱响应测量方法包括以下步骤：
（1）激光器4-2出射具有特征波长的激光；；
（2）事先获取激光器4-2出射光的光谱功率通量Pi（λ）（i=1,2,…n）
（3）激光器4-2出射的激光经过衰减装置5后入射至积分球1内，并经过散装装置6降低激光的功率密度；
（4）通过宽带光探测器2获取积分球内光线的光度值Mi（i=1,2,…n）；
（5）根据激光器4-2所出射光线的光度值Mi和光谱辐射通量Pi（λ），数值求解得到积分球光度计的光谱响应度S rel （λ）（i=1,2,…n）：
Figure 853537DEST_PATH_IMAGE001
。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但本领域技术人员应当理解，以上实施例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域技术人员应当理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的保护范围由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种积分球光度计的光谱响应度测量方法，包括由积分球和宽带光探测器组成的积分球光度计，所述的宽带光探测器安装在所述积分球的球壁上，其特征在于，使用所述的积分球光度计测量三个及以上峰值波长不同的参考光源，根据所述参考光源的光谱辐射通量和积分球光度计对所述参考光源的响应，计算积分球光度计的光谱响应度，具体包括以下步骤：
步骤a：三个及以上峰值波长不同的所述参考光源的出射光分别入射到积分球内，读取积分球光度计的响应Mi（i=1,2,…n），其中n为所述参考光源的数量；
步骤b：获取入射到积分球内的参考光源的光谱辐射通量Pi（λ）（i=1,2,…n）；
步骤c：建立如下的方程组，其中Srel（λ）为积分球光度计的光谱响应度，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤d：通过数值求解得到积分球光度计的光谱响应度Srel（λ）。
2.如权利要求1所述的积分球光度计的光谱响应度测量方法，其特征在于，所述的参考光源为LED光源，所述LED光源由光谱相互交叠的单色光LED和/或白光LED组成。
3.如权利要求1所述的积分球光度计的光谱响应度测量方法，其特征在于，所述的光谱辐射通量Pi（λ）是绝对值，或者所述的光谱辐射通量Pi（λ）是相对值。
4.如权利要求1所述的积分球光度计的光谱响应度测量方法，其特征在于，所述参考光源为具有特征波长的激光器，或者所述参考光源有两个及以上具有特征波长的激光器组成。
5.如权利要求1所述的积分球光度计的光谱响应度测量方法，其特征在于，所述参考光源的入射光通过所述积分球壁上的入射窗口进入积分球，所述入射光阑处设置有可切入切出光路的校准探测器，用于获取所述参考光源的辐射通量。
6.如权利要求1所述的积分球光度计的光谱响应度测量方法，其特征在于，在积分球壁上设置与校准过的光谱辐射计相连接的测量窗口，用于获取所述参考光源的光谱辐射通量。
7.如权利要求1或4所述的积分球光度计的光谱响应度测量方法，其特征在于，所述的参考光源为具有均匀出光面的可调光源。
8.一种积分球光度计的光谱响应度测量系统，其特征在于，包括积分球光度计和三个及以上峰值波长不同的参考光源；所述积分球光度计由积分球和宽带光探测器组成，所述的宽带光探测器安装在所述积分球的球壁上，所述积分球上设置有入射窗口；所述参考光源的出射光通过所述入射窗口入射到所述积分球内。
9.如权利要求8所述的积分球光度计光谱响应测量系统，其特征在于，还包括入射光阑和校准探测器，所述入射光阑设置在所述积分球的所述入射窗口的外侧，所述校准探测器设置在所述入射光阑的光阑口上，并可切入或切出光路。
10.如权利要求8所述的积分球光度计光谱响应测量系统，其特征在于，包括光谱辐射计和设置在积分球壁上的测量窗口。
11.如权利要求8所述的积分球光度计光谱响应测量系统，其特征在于，所述积分球内设置有散光装置。
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