CN2121022U

CN2121022U - 色温表

Info

Publication number: CN2121022U
Application number: CN 92200049
Authority: CN
Inventors: 李�亨; 黄力; 姚娉
Original assignee: BEIJING INST OF METERING SCIENCE
Current assignee: BEIJING INST OF METERING SCIENCE
Priority date: 1992-01-07
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1992-11-04

Abstract

一种能够测量各种连续发光的热辐射光源的色温和照度的便携式数字显示色温表。它是以在硅片上按一定规则分布三对红、绿、蓝硅光电二极管且在硅光电二极管端面上镀有干涉滤光膜的集成颜色传感器作为探头，用来测量各种连续发光的热辐射光源的色温和照度，单片计算机作为中心处理器，对由颜色传感器输入的光信号进行相应的处理，并通过液晶显示模块显示所测光源的色温值或照度值。

Description

本实用新型涉及色温测量仪表，尤其是测量各种连续发光的热辐射光源色温和照度的便携式数字显示色温表。

目前，公知的最准确的测量色温方法是用光谱光度法，使用这种测量方法所用的光谱光度计不仅体积大，而且价格昂贵，工作耗时，并且还需许多附加设备，因此很不适合测量色温的一般场合，例如工厂生产线、电影、摄影、录像现场等等。普遍使用的便携式色温测量仪表多采用双色比法或三色比法，双色比法是选用两个特定的光谱波长的光源辐射通量进行比较，用其比值作为所测色温的度量。这种方法对于偏离黑体辐射源较大的具有线光谱分布的光源色温测量误差很大。三色比法是选用三个特定的光谱波长，将它们的光源辐射通量两两进行比较，其比值作为所测色温的度量。这种方法可以极大地减小用双色比法测量的具有线光谱分布的光源色温误差。由于使用方便，价格便宜，因此采用双色比法或三色比法原理制作的便携式色温仪表被广泛地用于各种测量色温的场合。一般便携式色温表是用双色比法原理，其探头结构由于采用了分离式元器件，即在2个分立的硅光电池上分别覆盖上红、蓝滤光片，硅光电池的两端由引线与仪表相连，不仅体积大，而且工艺上不能保证其对称性，因而造成测量时入射光的方向特性很差，即当入射光的方向不同时仪表的示值变化很大，当光的入射角大于±15°时，所测得的色温误差可达上百K。另外由于硅光电池面积较大，暗电流亦大，使得稳定性很差。仪表内部多采用分离式运算放大器和模拟除法器，指针式显示。当硅光电池接收到光信号以后，即产生光电流，光电流送到1／V转换器被转换成电压值，该电压值被送到模拟除法器后，模拟除法器将两电压值V_R和V_B相除，由于不同的光源色温对应于不同的比值V_R／V_B，得出的电压信号送入表头，偏转线圈在磁场的作用下带动指针显示出所测的色温值。由于V_R／V_B与色温Tc的关系是非线性的，因而刻度是不均匀的，尤其是在高色温区，相邻的比值差别越来越小，所以色温值越高，仪表刻度值越密，由此造成的分度误差亦越大，使所测色温值很不准确。虽然三色比法测量线光谱光源误差较小，但是基于工艺的原因至今国内还不能生产运用三色比法原理的便携式色温仪表。至于将集成颜色传感器和计算机技术相结合并同时采用三色比法原理的数字式色温表更属空白。市售的日本美能达公司的便携式色度计，由于其内部工作方式的原因，测量误差也远远超出了《中华人民共和国国家计量检定规程（JJG212－90）》所要求的误差范围。而且现有测量色温的仪表均不能同时测量光源的色温和照度。

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述缺点，提供一种可同时测量色温和照度的便携式数字显示测量仪表，它不仅能测量各种连续发光的热辐射光源的色温还可同时测量其照度，并且尽可能大地改善了光的入射角度特性，误差很小。

本实用新型的目的是这样实现的：使用集成颜色传感器作为测量光源色温和照度的传感器，并对其作一些相应的改善措施，可以很好地改善光的入射角度特性，并极大地减小色温表的测量误差。解决问题的关键主要在于传感器的结构和性能。色温表的传感器应该是集成化的，它应在很小的体积上按一定的规则排列多个红、绿、蓝三种光敏元件，并且其光谱响应曲线应尽可能的符合人眼的三刺激值曲线。基于这种想法，我们发现用于测量颜色色度的集成颜色传感器很接近我们的使用要求。通过两级运算放大器将集成颜色传感器送出的光电流转换成电压信号并放大，经过模拟开关和模／数转换器送入单片计算机中。由于使用单片计算机作为中心处理器进行控制和相应的处理工作，使得本实用新型的误差大大减小，并且实现了同时测量光源色温和照度的功能。单片计算机的输出与作为显示器件的液晶显示模块相连接。由此通过集成颜色传感器和单片计算机等技术的结合，使得本实用新型达到了误差小、多功能测量、改善了光的入射角度特性、体积小、使用和携带方便的目的。

通过采用上述设计方案，使得本实用新型不仅可同时测量光源的色温和照度，而且测量结果的误差很小，并且改善了以往对光源入射角的要求。经检验，各项指标均达到或优于《中华人民共和国国家计量检定规程（JJG212－90）》的要求。并且体积小，使用和携带方便。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1是色温表的正视图。

图2是本实用新型的结构框图。

图3是集成颜色传感器的透视图。

图4是查询表的色温－红／蓝（红／绿）比值曲线图。

图1中，15.复位键 16.电源开关 17.乳白单面磨砂玻璃

图2中，1.集成颜色传感器 2.运算放大器 3.运算放大器 4.模拟开关 5.模／数转换器 6.单片计算机 7.液晶显示模块 8.色温测量键 9.照度测量键 10.保持测量结果键 11.零点检测键 18.八D锁存器 19.EPROM

图3中，12.红硅光电二极管 13.绿硅光电二极管 14.蓝硅光电二极管

图4中，横轴表示色温，纵轴表示红／蓝或红／绿比。

附图中相同的标号表示相同的内容。

在图2中，集成颜色传感器（1）在无光照的情况下因为周围环境中热噪声等因素的影响会产生一些暗电流。这个暗电流经由运算放大器（2）和（3）转换成电压值，并经模拟开关（4）送给模／数转换器（5）后转换成为数字信号。测量前，在无光照的条件下通过零点检测键（11）给单片计算机（6）一个指令，单片计算机（6）将记录并暂存该暗电流的相应的电压值。在随后进行的实际测量中，集成颜色传感器（1）接收到光信号并将其转换成电流信号后，送到运算放大器（2）和（3），运算放大器（2）和（3）把该电流信号转换成相应的电压信号并放大后，经模拟开关（4）将该电压信号送到模／数转换器（5），再经模／数转换器（5），将该电压值转换成相应的数字量送往单片计算机（6），通过已固化在其中的程序做相应的处理工作。首先判断所测数据是否接近模／数转换器（5）的满度值，如果不是，单片计算机（6）接受此数据；如果是，单片计算机（6）则放弃这一数据，给模拟开关（4）一个反馈信号，关断运算放大器（3）输出的控制开关，打开运算放大器（2）输出的控制开关并重新采样。然后，单片计算机（6）将传输来的电压值减去前述暂存在其中的暗电流的电压值，再通过查表、内插的方式得出实测的光源色温值。同时，单片计算机（6）将绿硅光电二极管（13）的电压值经过计算，得出光源的照度值。如果没有进行现场实测暗电流的工作，单片计算机（6）接收到传输过来的电压值后，就会自动的减去已固化在其中的标定时测得的暗电流相应的电压值，由此，同样得出该光源的色温值和照度值。这时通过色温测量键（8）给单片计算机（6）的指令，就能在液晶显示模块（7）上显示色温值，通过照度测量键（9）给单片计算机（6）的指令，就能在液晶显示模块（7）上显示照度值。如需保持某一时刻的测量结果数据，通过保持测量结果键（10）即可在液晶显示模块（7）上得到被保持的结果数据。

集成颜色传感器（1）的结构是：在5mm见方的硅片上按同名的硅光电二极管相互交错的规则分布着三对红、绿、蓝硅光电二极管（12）、（13）、（14），在硅光电二极管的端面上用真空蒸镀法镀一层模拟人眼三刺激值的干涉滤光膜。集成颜色传感器（1）响应曲线的峰值，分别位于4′65～480nm、515～530nm、595～610nm和485～495nm。其中，峰值为465～480nm的曲线，近似于人眼的 z（λ）曲线，峰值为515～530nm的曲线，近似于人眼的 y（λ）曲线，峰值为595～610nm和485～495nm的曲线，近似于人眼的 x（λ）曲线。由于这些曲线的峰值不重合，因此，可以利用集成颜色传感器（1）在这些波长范围的不同的响应之比（即三色比法），进行色温测量。由于这些曲线之间存在有一些重叠部分，使得红／蓝比和红／绿比的变化在高色温区趋于平缓，因而易于产生较大误差，我们通过采用计算机技术，将标定的红／蓝比和红／绿比作成查询表固化在单片计算机（6）中，由此测量得到的相应电压信号通过查询和内插可以大大减小数据结果误差。另外，根据绿硅光电二极管（13）的响应曲线和人眼的 y（λ）曲线近似的特性来测量照度。由于集成颜色传感器（1）的接收面很小，并且三对硅光电二极管是按一定的规则分布的，并且为了更好的改善光的入射角度特性，我们在集成颜色传感器（1）的前方，安置了乳白单面磨砂玻璃（17），乳白单面磨砂玻璃（17）的磨砂面对着集成颜色传感器（1）的受光面一侧，所以极大地改善了色温表的受光角度特性。经过实验证明，二者之间的距离在4～6mm范围内效果最好。并且乳白单面磨砂玻璃（17）的厚度应在2～3mm的范围内，其磨砂面的磨砂度应在300～400目之间，其有效直径在20～30mm范围最好。由此传感器的体积大大地缩小了，同时测量误差也大大减小。

集成颜色传感器（1）的输出端与线路中的运算放大器（2）相连，而在运算放大器（2）的另一端又连接一运算放大器（3），采用了串联两级放大的工作结构。硅光电二极管的输出电流是随着照度的变化而成正比变化的，在我们设计的照度变化为30～60，0001x的范围内，为了保证在实用中能够测量的光源照度的变化范围尽可能的大些，同时线性最好，运算放大器必须采用两级放大器的工作结构，才能实现在大的光源照度变化范围内进行准确的测量。两级运算放大器的串联结构用于在较低的光源照度水平下的测量。当颜色传感器（1）输入的光电信号经放大成电压值而趋于饱和时，在模拟开关（4）的控制下，色温表自动转换为用一级运算放大器进行放大，以此来进行较高照度水平下的测量。上述过程的实现，是由单片计算机（6）通过读取模／数转换器（5）中的内容来判断来自集成颜色传感器（1）的输入信号的量程，根据判断出的结果，控制模拟开关（4）的动作。低量程时选通两级运算放大器进行放大，高量程时则选通一级运算放大器进行放大。与运算放大器（3）相连的模拟开关（4），在单片计算机（6）的控制下，除了选择运算放大器的工作方式之外，还要承担另一项工作，就是将从红、绿、蓝三种硅光电二极管来的输入信号分时送入模／数转换器（5），从而使光电信号转换成数字信号，以便将该数字信号送往单片计算机（6）进行有关的信息处理工作。与模拟开关（4）相连的模／数转换器（5）是三位半双积分式的CMOS器件，其自身的耗电相当小，而且抗干扰的性能很好，它与单片计算机（6）的连接很简单，只需要8条数据线和1条中断申请线，它的外接器件也很少。

与模／数转换器（5）相连的做为中心处理器的单片计算机（6），除用于对模拟开关（4）进行控制之外，更主要的，是用于对从模／数转换器（5）输入的数据进行处理。由于本实用新型采用的是三色比法的原理，所以需要根据预先标定的对应于不同的光源照度的红／蓝比和红／绿比建立相应的查询表。由于通过标定的红／蓝比和红／绿比与色温的关系虽是一一对应，但是非线性的（图4表示其中的一种关系），所以不能用公式计算的方法得出色温值，只能将红／蓝比和红／绿比与色温的关系建成查询表固化在单片计算机（6）中。当测得的数据值与查询表中的某一数值最接近时，即得出相应的色温值。如果测得的数据值与查询表中的数值相差较远时，则用相邻两值进行内插得出相应的色温值。照度测量功能的实现是由于集成颜色传感器（1）中的绿硅光电二极管（13）的光谱灵敏度的修正函数与人眼的视见函数很接近，利用它的这一性质进行光源的照度测量。首先将与绿硅光电二极管（13）相连的运算放大器（2）和（3）按照标准的照度值定标后，根据绿硅光电二级管（13）的输出电压与实际光源的照度成线性关系的原理，将已标定的这一线性关系固化在单片计算机（6）的程序中，当绿硅光电二极管（13）的输出电压被送往单片计算机（6）处理之后，所测光源的照度值也就同时得出了。

另外，由于集成颜色传感器（1）在无光照的情况下，会因为周围环境中热噪声等因素的影响而产生暗电流，如果不将其排除，会给测量结果带来随机误差，这种影响在低照度水平范围内会显得更严重。为了避免这种误差的出现，我们采用了两种方法消除暗电流的影响。一种是将标定色温表时测得的集成颜色传感器（1）的暗电流转换成电压值固化在单片计算机（6）的程序中。在测量中，单片计算机（6）将所测得的经过转换的电压值，减去暗电流的相应电压值即可。但是如果环境温度变化太大时，单片计算机（6）中被固化的暗电流的电压值就会与实际情况有差异，使得测量结果数据产生系统误差。另一种消除暗电流影响的方法是，在进行正式测量之前，先在无光照的条件下现场测量集成颜色传感器（1）的暗电流，并将其转换为相应的电压值送入单片计算机（6）暂存。在随后的测量中，当被测光源的电压值送入单片计算机（6）以后与其相减，然后再进行其它处理工作，这样可得到准确度很高的测量结果数据。

与单片计算机（6）相连的，输出最后测量结果的显示器采用的是液晶显示模块（7），因为在该显示模块的内部带有可随意选用的96个ASC11码和92个特定的字符，从而使显示功能大大增强，可以显示所需的各种内容和测量结果数据及相应的测量单位符号。

实施例：在4×4mm的硅片上，做成三对按图3排列规则分布的红、绿、蓝硅光电二极管（12）、（13）、（14），在硅光电二极管的端面上用真空蒸镀法镀一层模拟人眼三刺激值的干涉滤光膜，即为集成颜色传感器（1），其响应曲线的峰值分别为475nm、523nm、608nm和494nm。在距集成颜色传感器（1）前面5.5mm的位置，安放一块直径为24.5mm、厚度为2.3mm的乳白单面磨砂玻璃（17），其磨砂面的磨砂度为320目。将磨砂面的一面正对集成颜色传感器（1）的受光面。集成颜色传感器（1）的三对硅光电二极管分别与型号为LM358的三个运算放大器（2）的输入端相连接，三个运算放大器（2）的输出端再分别与型号相同的另三个运算放大器（3）的输入端相连接。运算放大器（2）和（3）的输出端同时分别接入一个型号为CD4051的模拟开关（4），模拟开关（4）的输出端接一型号为7135的模／数转换器（5），模／数转换器（5）的输出接入型号为8031的单片计算机（6），单片计算机（6）的一条反馈控制线接入模拟开关（4），单片计算机（6）处理后的结果数据送入与其相连接的型号为TM1601的液晶显示模块（7）进行显示。

具体的测量过程是这样实现的：当颜色传感器（1）接收到光源的光信号后，硅光电二极管将其转换成电流信号并输送到运算放大器（2），运算放大器（2）将接收到的电流信号转换成相应的电压信号，并放大后输送给运算放大器（3），运算放大器（3）将该电压信号再次放大，经模拟开关（4）送到模／数转换器（5），模／数转换器（5）将该电压信号转换成相应的数字信号并送往单片计算机（6）。单片计算机（6）接收到转换后的数字信号后，首先判断一下该测量值是否接近模／数转换器（5）的满度值。如果接近，则重新采集输入电流信号，并使运算放大器（2）的输出电压信号经模拟开关（4）送往模／数转换器（5），模／数转换器（5）再将该电压信号转换成数字信号并送往单片计算机（6）；如果不接近，则单片计算机（6）接受这一数字信号。单片计算机（6）将该数字量进行相应的处理后，对照查询表进行查询和内插，从而获得对应于该光源的色温值。通过选择色温测量键（8）给单片计算机（6）一个信号，由液晶显示模块（7）显示结果数据。单片计算机（6）同时将由绿硅光电二极管（13）一路传输进来的信号进行线性变换。如果需要知道该光源相应的照度值时，通过选择照度测量键（9）给单片计算机（6）一个信号，即可由液晶显示模块（7）显示结果数据。用减去现场暗电流的方法测量，标准A光源的色温为2856K时，色温表显示的色温值为2860K，将色温表受光面的法线相对于入射光方向顺时针旋转58°后，色温表显示的色温值为2850K，两次显示的色温值之间的偏差在允许误差20K的范围之内。再如，标准光源的色温为3000K时，色温表显示的色温值为2995K，将色温表受光面的法线相对于入射光方向反时针旋转60°后，色温表显示的色温值为3005K，两次显示的色温值之间的偏差同样在允许误差20K的范围之内。如需保留某一时刻的测量结果数据，可通过保持测量结果键（10）实现此目的。

由于本实用新型采用了新型的集成颜色传感器做为测量探头，并用单片计算机进行数据处理和控制，因而使得测量结果的误差很小，特别是使光的入射角度特性影响很小。当光的入射角小于±60°时，测量误差小于20K，而且可同时测量各种光谱分布的连续发光的热辐射光源的色温和照度。本实用新型色温表的体积很小，使用和携带方便。

本实用新型既可将颜色传感器和表身连成一体，也可将两者做成分立形式，以满足不同需要。

Claims

1、一种便携式数字显示色温表，包括传感器、处理装置和显示装置，其特征在于所述传感器是在硅片上按一定规则分布三对并红、绿、蓝硅光电二极管且在硅光电二极管端面上镀有干涉滤光膜的成颜色传感器，用其同时测量各种连续发光的热辐射光源的色温和照度；所述处理装置是作为中心处理器的单片计算机，用其对集成颜色传感器的信号进行相应的处理；液晶显示模块作为显示装置显示所测得的光源的色温值或照度值。

2、根据权利要求1所述的色温表，其特征在于由集成颜色传感器接收光信号，其输出的电流信号通过运算放大器转换成电压信号，再经由模拟开关，送入模／数转换器，转换后的数据经单片计算机处理后，由液晶显示模块进行显示。

3、根据权利要求1或2所述的色温表，其特征在于所述的集成颜色传感器是在5mm见方的硅片上按同名硅光电二极管相互交错的规则分布着三对红、绿、蓝硅光电二极管，在硅光电二极管的端面上，用真空蒸镀法镀一层很薄的模拟人眼三刺激值的干涉滤光膜。

4、根据权利要求1或2所述的色温表，其特征在于所述传感器是由集成颜色传感器和位于其前方的乳白单面磨砂玻璃组成。

5、根据权利要求4所述的色温表，其特征在于所述集成颜色传感器与乳白单面磨砂玻璃之间的距离为4～6mm。

6、根据权利要求4所述的色温表，其特征在于所述乳白单面磨砂玻璃的磨面为300～400目。

7、根据权利要求4所述的色温表，其特征在于所述乳白单面磨砂玻璃的厚度为2～3mm。

8、根据权利要求4所述的色温表，其特征在于所述乳白单面磨砂玻璃的直径为20～30mm。

9、根据权利要求1或2所述的色温表，其特征在于所述集成颜色传感器接收的光信号的入射角可以在±60°内变化而色温表示值偏差小于20K。