CN113932931B - 一种对称式色温校准装置及色温表校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种对称式色温校准装置，包括对称式积分球色温源、光谱仪、光纤、计算机和直流稳压电源；对称式积分球光源色温源包括标准光源、可调节入射光量光阑、漫反射积分球、可替换的升色温滤光片和出光光阑套筒；标准光源与直流稳压电源连接；漫反射积分球包括进光口、出光口和出光监测端口，可调节入射光量光阑设置在标准光源和漫反射积分球的进光口之间，出光光阑套筒设置在出光口处，当漫反射积分球的出光色温在3000K～9500K时，在出光光阑套筒的出光口处还设置有升色温滤光片。还提供了基于该校准装置的色温表校准方法。本发明能实现光源标准色温在2000K～9500K之间随意调节输出、出光光阑套筒出光口的色温值作为色温标准值实时显示。
Description
技术领域
本发明属于光源色温表的计量校准领域，尤其涉及一种对称式色温校准装置及基于该校准装置的色温表校准方法。
背景技术
色温，又称色温度或光源色温。如果一个光源发射光的颜色(即光色，又称色品)与某一温度下的黑体发射光的颜色相同，那么，此时黑体的绝对温度值就叫做该光源的颜色温度(简称色温)。黑体发射光的相对光谱功率分布由普朗克定律式(2)给出：
其中：T----黑体温度(K)；λ----波长(nm)；c1----第一辐射常数，c1＝3.7417749×10-16W/m2；c2----第二辐射常数，c2＝1.4388×10-2m·K。
当光源发射光的光谱功率分布和黑体不相同时，常用“相关色温”的概念来描述光源的颜色。相关色温的定义是：在某一确定的均匀色度图中，如果一个光源与某一温度下的黑体具有最接近相同的光色，此时黑体的绝对温度值就叫做光源的相关色温。
色温表是测量光源相关色温的仪器，是通过测量光源颜色特性，并以相关色温度表征的仪器。它广泛用于测量摄影、摄像用照明光源及其他现代光源的相关色温度。按照现行有效的JJG212-2003《色温表》国家计量检定规程的技术要求，传统色温表的计量校准方法是在大于(2～3)米长的导轨上，在2000K～3400K时直接使用不同类型的颜色温度标准灯对色温表的色温量值进行计量；在3400K～9500K时采用颜色温度标准灯加升色温滤光片的方法对色温表的色温量值进行计量，从而满足色温表在2000K～9500K范围内的校准需求。首先该装置及校准方法占用房间面积大，要求一定面积的地方放置高精度的(2～3)米平直光轨及对准装置；其次，校准过程繁琐、耗时长，不同的色温范围需要更换颜色温度标准灯，更换后要重新校准光路。更重要的是，按照JJG212-2003《色温表》国家计量检定规程要求的颜色温度标准灯-寿命有限，生产制作和调试工艺又比较复杂，价格不菲，国内长期处于缺货的状态，难以获取。尤其对很多校准机构或者有自校准需求的企事业计量单位而言，购置传统色温标准装置所需的颜色温度标准灯非常难得，同时每年都要对颜色温度标准灯手提送检(颜色温度标准灯属精密仪器，极怕各种震动)尤为不易，有必要研究更易实现量值传递的替代方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，发明了能实现2000K～9500K的色温随意调节、能通过光谱仪监测系统实时显示出光口的标准色温的对称式色温校准装置及基于该装置的色温表校准方法。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种对称式色温校准装置，包括对称式积分球色温源、光谱仪、光纤、计算机和直流稳压电源；
对称式积分球色温源包括标准光源、可调节入射光量光阑、漫反射积分球、可替换的升色温滤光片和出光光阑套筒；
标准光源与直流稳压电源连接，且标准光源上设置有反光罩；
漫反射积分球包括进光口、出光口和出光监测端口，可调节入射光量光阑设置在标准光源和漫反射积分球的进光口之间，出光光阑套筒设置在出光口处，当漫反射积分球的出光色温在3000K～9500K时，在出光光阑套筒的出光口处还设置有升色温滤光片；
光谱仪通过光纤与出光监测端口连接，用于测量积分球内混合出光光谱；
计算机与光谱仪连接。
其中，标准光源用于调节发光色温值，通过反光罩将光源反射进入漫反射积分球中，可调节入射光量光阑通过旋钮可调节光阑大小，从而调节进光量的多少。在出光色温在2000K～3000K范围内，不需要放置升色温滤光片，将所需校准的色温表放置在积分球出光口处，测量出光色温值；在出光色温在3000K～9500K范围内，放置升色温滤光片，将所需校准的色温表放置在积分球出光口处，测量出光色温值；通过设置出光光阑套筒来限制被测色温表探头的视场角；出光色温值由计算机系统实时显示。
进一步地，标准光源为卤素灯。因为卤素灯的发光光谱是连续光谱，与黑体及JJG212-2003《色温表》国家计量检定规程规定使用的颜色温度标准灯的发射光谱近似；而且大多数的卤素灯的发光色温能满足2000K～3200K的范围，在经过积分球多次漫反射后出光色温能满足2000K～3000K的要求。卤素灯通过直流电源输入电流，调节发光色温值。
进一步地，漫反射积分球的进光口和可调节入射光量光阑之间还设置有可抽插进光口挡光板。可抽插进光口挡光板主要作用是：插入时直接遮挡入射至漫反射积分球内的入射光，阻止入射光未经漫反射直接经出光口出射，目的在于使出射光都经过积分球内多次漫反射混合后均匀出光；取出时，标准光源发出的入射光全部进入积分球内。
进一步地，漫反射积分球的两个半球之间设置有积分球内挡光板。进光口挡光板主要用于直接遮挡入射至积分球内的入射光，阻止入射光未经漫反射直接经出光口出射，目的在于使出射光都经过积分球内多次漫反射混合后均匀出光。
进一步地，漫反射积分球内壁涂覆有漫反射涂料。
进一步地，还包括升色温滤光片托架，升色温滤光片托架设置在出光光阑套筒的出光口的外侧，当设置升色温滤光片时，升色温滤光片固定设置在升色温滤光片托架上。
进一步地，漫反射积分球的两个半球之间设置有积分球内挡光板。
进一步地，升色温滤光片托架固定设置在出光光阑套筒上，升色温滤光片托架上设置有插槽，升色温滤光片插设在插槽内。升色温滤光片以插设方式设置在升色温滤光片托架上，在不需要设置升色温滤光片时，可以方便地将升色温滤光片取出，当需要设置升色温滤光片时，可以便捷地插入升色温滤光片。
进一步地，出光监测端口和出光光阑套筒出光口两者的光路与装置标准光源的发光法线呈对称夹角，对称夹角角度范围为30°～60°，优选的对称夹角为45°。两个夹角对称且角度相等，最大限度减少出光角度不一致引入的色温出光不一致误差；两个监测端口中心法线交汇于积分球内的挡光板中心，有利于收集出射光，本发明是出光监测端口和出光光阑套筒出光口对称式出光。
本发明还提供了采用前述装置进行校准的色温表校准方法，包括以下步骤：
使用直流稳压电源点燃标准光源，待输出电流值稳定后，通过可调节入射光量光阑控制漫反射积分球的进光量；
漫反射积分球出光色温在2000K～3000K范围内时，不设置放置升色温滤光片，将所需校准的色温表设置在出光光阑套筒出光口处，使用光谱仪通过出光监测端口实时测量漫反射积分球的出光光谱，并实时在计算机中计算显示其色温值；
漫反射积分球的出光色温在3000K～9500K范围内时，在出光光阑套筒的出光口处设置升色温滤光片，沿光路方向将所需校准的色温表设置在升色温滤光片之后，使用光谱仪通过出光监测端口实时测量漫反射积分球的出光光谱，得到加升色温滤光片后出光的光谱功率分布，计算机实时获取加升色温滤光片后出光的光谱功率分布P(λ)，计算加升色温滤光片后的出光色温并显示在计算机中。
进一步地，通过公式(3)得到所述加升色温滤光片后出光的光谱功率分布，公式(3)为
P(λ)＝τ(λ)·T(λ) (3)
其中λ为波长，P(λ)为加升色温滤光片后出光的光谱功率分布，τ(λ)为升色温滤光片的光谱透过率，T(λ)为光谱仪通过出光监测端口实时测量积分球的出光光谱。
本发明相对于现有技术，至少具有如下有益效果：
(1)本发明提出使用对称式色温源作为色温表校准的光源。本发明选择标准光源+漫反射积分球+出光光阑套筒作为均匀光源输出，代替颜色温度标准灯，通过对标准光源驱动电流的实时调节控制，实现2000K～3000K的出光色温随意无级调节；配合升色温滤色片设置在出光光阑套筒的出光口，实现大于3000K～9500K的出光色温随意无级调节。使该积分球式光源色温校准装置能实现JJG212-2003《色温表》检定规程要求的色温测量范围在2000K～9500K内标准光源随意无级调节输出。实现对色温表测量设备的量值溯源，不需要频繁更换颜色温度标准灯，减少对颜色温度标准灯的损耗和依赖，并且满足对非固定点色温的复现和量值溯源要求。
(2)本发明提出直接使用已经过光谱辐照度标准灯标定的光谱仪(光谱比较装置)对色温表进行量值传递。传统色温量值校准是色温副基准通过先使用光谱比较装置量值传递到颜色温度标准灯，颜色温度标准灯再对色温表进行校准(量值传递)，量值至少经过两次传递。本发明创新地提出使用经过光谱辐照度标准灯标定的光谱仪直接测量积分球内的色温。具体做法是在积分球出光口附近设置出光监测端口，用光纤连接至光谱仪。首先通过光谱辐照度标准灯对光谱仪(光谱比较装置)的光谱测量部分进行标定；然后通过光谱仪测量球内混合光的光谱，同时在测量软件中选择所使用的升色温滤光片，将测得的光源光谱与升色温滤光片的透射光谱曲线通过计算机系统加权计算得出色温值并实时显示在屏幕上。得到附加升色温滤光片或者不附加升色温滤光片的出光口标准色温值。
(3)本发明增加进光口的调节光阑，从而达到控制出光口的光量目的，免除了色温表校准中对导轨的依赖，为色温表在同一照度水平计量溯源提供技术保障。
(4)本发明采用出光光阑套筒出光口光路与出光监测端口光路轴对称设计。本发明采用出光监测端口和出光光阑套筒出光口与装置标准光源的发光法线呈对称夹角，对称夹角角度范围为30°～60°，典型夹角为45°。两个夹角对称且角度相等，最大限度减少出光角度不一致引入的色温出光不一致误差；两个监测端口光路中心法线交汇于积分球内的挡光板中心，有利于收集出射光。两条光路出光条件一致，都呈相同角度相交于积分球内的挡光板中心。最大程度使得被测色温表与光谱仪色温标准值的检测端处于同样的测量条件，减少因光路不一致性引入的系统误差。
(5)本发明在积分球出光口与滤光片托架之间使用出光光阑套筒连接，用于限制被测色温表探头的视场角，减少杂散光对标准光源色温的影响。
(6)选用对称式积分球光源色温校准装置对色温表的色温值进行校准，为色温表的色温量值传递提供新的思路。该对称式积分球光源色温校准装置的对称式积分球具有体积小、检测端口与出光端口光路对称相等、光源寿命长等优势，而且不需要频繁更换标准色温灯，减少对颜色温度标准灯的损耗和依赖，并且满足对非固定点色温的复现和量值溯源要求。
(7)通过该校准装置，能完全替代传统颜色温度标准灯对色温表进行量值传递。
附图说明
图1为本发明实施例提供的校准装置示意图。
图2为本发明实施例中校准装置上的对称式积分球光源色温源分解示意图。
图1、图2中包括：对称式积分球色温源1，光谱仪2，光纤3，计算机4，直流稳压电源5，光纤6，标准光源6，可调节入射光量光阑7，漫反射积分球8，出光光阑套筒9，升色温滤光片10，升色温滤光片托架11，积分球内挡光板12，出光监测端口13，可抽插进光口挡光板14。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明提供的一种对称式色温校准装置，包括对称式积分球色温源1、用于点亮标准光源6的直流稳压电源5、用于测量积分球内混合出光光谱的经过光谱辐照度标准灯标定的光谱仪2、用于接收测量积分球内混合出光的光谱仪光谱测试数据的光纤3和计算机4。
积分球式色温源1包括标准光源6、可调节入射光量光阑7、漫反射积分球8(下称：积分球)、出光光阑套筒9和可替换的升色温滤光片10，标准光源6与直流稳压电源5连接，且标准光源6上设置有反光罩；漫反射积分球8包括进光口、出光口和出光监测端口13，可调节入射光量光阑7设置在标准光源6和漫反射积分球8的进光口之间，出光光阑套筒9设置在出光口处，当漫反射积分球8的出光色温在3000K～9500K时，在出光光阑套筒9的出光口处还设置有升色温滤光片10；光谱仪2通过光纤3与出光监测端口13连接，用于测量积分球内混合出光光谱；计算机4与光谱仪2连接。其中，出光监测端口13和出光光阑套筒9出光口与装置标准光源的发光法线呈对称夹角，对称夹角角度范围为30°～60°，进一步优选地，夹角为45°。
在本发明其中一个实施例中，标准光源6为卤素灯。
在本发明其中一个实施例中，漫反射积分球8的进光口和可调节入射光量光阑7之间还设置有可抽插进光口挡光板14。
在本发明其中一个实施例中，漫反射积分球8的两个半球之间设置有积分球内挡光板12。
在本发明其中一个实施例中，漫反射积分球8内壁涂覆有漫反射涂料。
在本发明其中一个实施例中，漫反射积分球8出光口与升色温滤光片托架11之间使用出光光阑套筒9连接。
在本发明其中一个实施例中，还包括升色温滤光片托架11，升色温滤光片托架11固定在出光光阑套筒9上且位于出光光阑套筒9的出光口的外侧，升色温滤光片托架11的内侧开设有用于固定升色温滤光片10的插槽。
前述实施例所提供的校准装置，在出光色温在2000K～3000K范围内，不需要设置升色温滤光片，将所需校准的色温表放置在积分球出光口处，测量出光色温值；在出光色温在3000K～9500K范围内，设置升色温滤光片以提升色温，将所需校准的色温表放置在积分球出光口处，测量出光色温值。出光标准值由计算机系统实时显示。
本发明实施例通过单个卤素灯作为标准光源，通过标准光源本身直射以及反光罩反射混合后，进入带可调节光阑的积分球；积分球球内由高反射比的漫反射涂料喷涂而成，其亮度分布接近于完全漫射体，可见光区光谱平坦度优于5％，积分球入射光通过积分球多次混合漫反射均匀出光；积分球出光口处设置出光光阑套筒，限制被测色温表的测量视场；采用出光口与出光检测端口轴对称设计，采用出光监测端口和出光口与装置标准光源的发光法线呈对称夹角，对称夹角角度范围为30°～60°，典型夹角为45°，两个夹角对称且角度相等，最大限度减少出光角度不一致引入的色温出光不一致误差，且两个监测端口中心法线交汇于积分球内的挡光板中心，有利于收集出射光；利用光谱仪通过出光监测端口实时测量积分球出光光谱数据，出光色温作为标准色温值实时计算并显示在计算机中，对标准光源驱动电流大小的实时控制得到不同的色温积分球混合出光光源，实现不放置升色温标准滤色器时混合出光色温在2000K～3000K无级可调；放置升色温标准滤色器时，利用光谱仪通过出光监测端口实时测量积分球出光光谱与升色温滤光片已知的透射光谱叠加后的光谱，通过实时加权计算得到积分球混合出光与升色温滤光片组合后的透射光色温作为标准色温值显示在计算机系统中，实现混合透射光色温在3000K～9500K无级可调。
本发明还提供采用前述装置进行校准的色温表校准方法。
在本发明其中一个实施例中，提供的一种色温表校准方法，包括以下步骤：
步骤1：使用直流稳压电源5点燃标准光源6，待输出电流值稳定后，通过可调节入射光量光阑7控制漫反射积分球8的进光量；
步骤2：漫反射积分球8出光色温在2000K～3000K范围内时，不设置放置升色温滤光片，将所需校准的色温表设置在积分球出光光阑套筒9出光口处，使用经过光谱辐照度标准灯标定的光谱仪2通过出光监测端口13实时测量漫反射积分球8的出光光谱，并实时在计算机中计算显示其色温值，该色温值为校准所需的标准色温值；
步骤3：漫反射积分球8的出光色温在3000K～9500K范围内时，在出光光阑套筒9出光口处设置升色温滤光片10，沿光路方向将所需校准的色温表设置在升色温滤光片10之后，使用经过光谱辐照度标准灯标定的光谱仪2通过出光监测端口13实时测量漫反射积分球8的出光光谱，得到加升色温滤光片10后出光的光谱功率分布，计算机实时获取加升色温滤光片10后出光的光谱功率分布P(λ)，计算加升色温滤光片10后的出光色温并显示在计算机中，该色温值为校准所需的标准色温值。
其中，步骤3中是通过公式(4)得到所述加升色温滤光片10后出光的光谱功率分布，公式(4)为
P(λ)＝τ(λ)·T(λ) (4)
式中：其中λ为波长，P(λ)为加升色温滤光片后出光的光谱功率分布，τ(λ)为升色温滤光片的光谱透过率，T(λ)为光谱仪通过出光监测端口13实时测量积分球的出光光谱。
从表1可知，通过本发明所提供的对称式色温校准装置对色温表进行校准时，本发明所测得的测量值与现有技术相比，两者测量数据非常接近，远远小于测量不确定度，说明了本发明的有效性。
表1本发明与现有技术的测量结果对比
如上所述，本发明提出直接使用对称式色温校准装置对色温表进行校准(量值传递)。传统色温量值溯源图是色温副基准通过先使用光谱比较装置量值传递到颜色温度标准灯，颜色温度标准灯再对色温表进行校准(量值传递)，量值至少经过两次传递。本发明创新地提出使用对称式色温校准装置校准色温表色温的方法。解决了色温测量范围在2000K～9500K内标准光源随意无级调节输出，实现对色温表测量设备的量值溯源，不需要频繁更换颜色温度标准灯，减少对颜色温度标准灯的损耗和依赖，并且满足对非固定点色温的复现和量值溯源要求。
本发明实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种对称式色温校准装置，其特征在于，用于对色温表进行校准，所述装置包括对称式积分球色温源(1)、光谱仪(2)、光纤(3)、计算机(4)和直流稳压电源(5)；
对称式积分球色温源(1)包括标准光源(6)、可调节入射光量光阑(7)、漫反射积分球(8)、出光光阑套筒(9)和可替换的升色温滤光片(10)；
标准光源(6)与直流稳压电源(5)连接，且标准光源(6)上设置有反光罩；
漫反射积分球(8)包括进光口、出光口和出光监测端口(13)，可调节入射光量光阑(7)设置在标准光源(6)和漫反射积分球(8)的进光口之间，出光光阑套筒(9)设置在出光口处，当漫反射积分球(8)的出光色温在3000K～9500K时，在出光光阑套筒(9)的出光口处还设置有升色温滤光片(10)；
光谱仪(2)通过光纤(3)与出光监测端口(13)连接，用于测量积分球内混合出光光谱；
计算机(5)与光谱仪(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种对称式色温校准装置，其特征在于，标准光源(6)为卤素灯。
3.根据权利要求1所述的一种对称式色温校准装置，其特征在于，对称式积分球色温源(1)还包括可抽插进光口挡光板(14)，可抽插进光口挡光板(14)漫反射积分球(8)的进光口和可调节入射光量光阑(8)之间。
4.根据权利要求1所述的一种对称式色温校准装置，其特征在于，漫反射积分球(8)的两个半球之间设置有积分球内挡光板(12)。
5.根据权利要求1所述的一种对称式色温校准装置，其特征在于，漫反射积分球(8)内壁涂覆有漫反射涂料。
6.根据权利要求1所述的一种对称式色温校准装置，其特征在于，还包括升色温滤光片托架(11)，升色温滤光片托架(11)位于在出光光阑套筒(9)的出光口的外侧，当设置升色温滤光片(10)时，升色温滤光片(10)固定设置在升色温滤光片托架(11)上。
7.根据权利要求6所述的一种对称式色温校准装置，其特征在于，升色温滤光片托架(11)固定设置在出光光阑套筒(9)的出光口的外侧，且升色温滤光片托架(11)上设置有插槽，升色温滤光片(10)插设在插槽内。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种对称式色温校准装置，其特征在于，出光监测端口(13)与出光口位于漫反射积分球(8)上且分布在标准光源(6)发光法线的两侧，出光监测端口(13)出射光法线及该装置出光口出射光法线都对准漫反射积分球(8)的两个半球之间设置有积分球内挡光板(12)的中心处并呈对称夹角，夹角角度范围为30°～60°。
9.一种色温表校准方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的一种对称式色温校准装置，所述方法包括以下步骤：
使用直流稳压电源(3)点燃标准光源(6)，待输出电流值稳定后，通过可调节入射光量光阑(7)控制漫反射积分球(8)的进光量；
漫反射积分球(8)出光色温在2000K～3000K范围内时，不设置放置升色温滤光片，将所需校准的色温表设置在出光光阑套筒(9)的出光口处，使用经过光谱辐照度标准灯标定的光谱仪(2)通过出光监测端口(13)实时测量漫反射积分球(8)的出光光谱，并实时在计算机中计算显示其色温值，该色温值为校准所需的标准色温值；
漫反射积分球(8)的出光色温在3000K～9500K范围内时，在出光光阑套筒(9)的出光口处设置升色温滤光片(10)，沿光路方向将所需校准的色温表设置在升色温滤光片(10)之后，使用光谱仪(2)通过出光监测端口(13)实时测量漫反射积分球(8)的出光光谱，得到加升色温滤光片(10)后出光的光谱功率分布，计算机实时获取加升色温滤光片后出光的光谱功率分布P(λ)，计算加升色温滤光片(10)后的出光色温并显示在计算机中，该色温值为校准所需的标准色温值。
10.根据权利要求9所述的一种色温表校准方法，其特征在于，通过公式(1)得到所述加升色温滤光片(10)后出光的光谱功率分布，公式(1)为：
P(λ)＝τ(λ)·T(λ) (1)
其中λ为波长，P(λ)为加升色温滤光片后出光的光谱功率分布，τ(λ)为升色温滤光片的光谱透过率，T(λ)为光谱仪通过出光监测端口(13)实时测量积分球的出光光谱。
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