光譜自校正光度計及其測量方法
2023-04-30 10:55:51 2
專利名稱：光譜自校正光度計及其測量方法
光譜自校正光度計及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種測量光度、輻射度或/和色度量的儀器，尤其涉及一種光譜自校
正光度計。背景技術：
光(輻射)度量包括光(輻射)通量、(輻射)照度、(輻射)光強、(輻射)亮
度等，以及色度量，是評價光源、照明現場等十分重要的量值。其中光度量考慮了人眼對光
輻射的響應，是光譜輻射功率與V(A)函數的加權積分值，V(A)函數是國際照明委員會(CIE)標準光譜視效率函數。光度量中的光強單位"坎德拉"是七個國際基本單位之一。輻射度量是光譜輻射功率直接積分或與其它相應函數加權積分的量值，而色度量是通過相對光譜輻射功率與CIE色度三剌激值函數加權積分計算的。光度量、輻射度量以及色度量的測量方法基本類似，下文以光度量測量加以說明。 光度計是測量光度量的最常用和最基本的儀器，在光度計的光電傳感器件前安置濾光片使光度計的光譜靈敏度曲線與V(A)函數曲線相匹配，從而使光電傳感器件在接收待測光時所產生的電信號與待測光的光度量成正比，這種光度測量方法也可稱作"積分法"。光度計的V(A)匹配程度是影響積分法測量精度的最關鍵因素之一，CIE用f/來表示光度計的失匹配程度。然而V(A)匹配對工藝的要求極高，實施成本較大，目前僅有3家德國公司能提供高精度的光度探計(CIE Class L，f/ < 1.5%)。而且在光度計的實際測量中，光度計的測量精度對被測光的光譜具有較強的依賴性，若被測光源與定標光源的光譜相差較大，則即便是高精度光度探計，由光譜失匹配帶來的誤差也可能會有10%以上。
除了光度計之外，也可以使用光譜儀通過"分光法"來測量光度量。由光譜儀測得待測光的絕對光譜功率分布，與V(A)函數加權後得到相應的光度量。分光法不存在V(入)失匹配問題，但該方法的缺點在於造價高、量值傳遞鏈長且光譜儀的光電傳感器件的線性動態範圍一般較窄，存在非線性問題，此外光電傳感器件的穩定度以及光譜儀內部的雜散光等因素也會影響其測量精度。 利用光譜儀測量待測光的相對光譜功率分布、並利用已知的光度計的相對光譜靈敏度計算光譜校正值，並用該校正值校正光度計的測量值是比較好的光度方法。然而，該方法一般通過標準燈分別定標光譜儀和光度計，量值傳遞鏈較長，每次量值傳遞中都不可避免地存在各種不確定因素，因此影響最終測量結果的不確定因素很多，導致最終的測量精度不夠高。 同時，現有的實現光譜校正的光度測量裝置還存在以下問題 在多數情況下，光度計和光譜儀往往採用不同的光學幾何裝置定標和測量，如使用光強測量儀測量光源光強，而使用積分球系統測量光源的相對光譜功率分布，該測量方法不適用於光譜功率分布會因時間或空間角度的不同而發生變化的被測光源；測量其它一般光源時也因為測量幾何的不同而存在較大的隨機誤差和系統誤差；並且測量耗時、操作很不方便；
遠方公司發明的分光-積分相結合的光譜儀配備有參考光度探頭，光度探頭和光 譜儀取樣端(一般為光纖)在同一個測量幾何裝置的兩個光信號採集窗口同時採樣，這雖 然能部分降低上述測量誤差，但一方面兩個信號採集窗口會增加系統誤差因素，如雜散光， 採樣對準，積分球系統中多窗口對光學幾何的影響等；另一方面該方法不適用於空間各方 向光譜不同的光源(如LED、顯示屏等)；事實上在很多情況下，無法在測量幾何裝置開設兩 個採樣窗口，因此也就無法在同一個幾何裝置上測量。
發明內容
為了克服現有光輻射度量測量中的上述缺陷，本發明旨在提供一種光譜自校正光 度計及其測量方法，能夠大幅度減小光輻射測量中的量值傳遞誤差、對被測光源的光譜依 賴性以及線性誤差等其它各類系統誤差和隨機誤差，且克服了由被測光源的空間光譜功率 分布不均勻和發光隨時間變化等帶來的問題，具有很高的測量精度，且操作方便，易於實 現，可應用於各種光度系統中。
本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的，即光譜自校正光 度計，其特徵在於包括入光口、光學分光鏡、光譜儀、矽光電池和信號處理與輸出單元；
光學分光鏡位於入光口後，被測光束經入光口入射到光學分光鏡，光譜儀的取樣 部件和矽光電池分別位於光學分光鏡的兩個出射光束光路中； 矽光電池的感光面前設置有濾色片，濾色片使矽光電池對入射入光口的被測光束 響應的相對光譜靈敏度曲線與特定的光譜效能函數相匹配； 處理光譜儀和矽光電池的測量信號並輸出測量結果的信號處理與輸出單元電連 接光譜儀和矽光電池。 利用該光譜自校正光度計可實現絕對光輻射度量的測量，其步驟如下
a.經絕對輻射計定標後的矽光電池與光譜儀同時測量入射入光口的被測光束，得 J光源的相對光譜功率分布和矽光電池的響應光電流，並將結果輸入信號處理與輸出
到待測 單元；
b.信號處理與輸出單元根據步驟a的結果按下式計算出被測光束的光輻射度 G「M./ f魯A，(" 式中，I為矽光電池對被測光束的響應光電流，A )為光譜儀測得的被測光的 相對光譜功率分布，X( A )為特定光譜效能函數，也即矽光電池對被測光束響應的相對光譜 靈敏度需與之相匹配的光譜函數，M為光譜效能函數的單位轉換係數，M*X(A)為特定絕對 光譜效能函數，、 A2是相應光輻射度量對應的波長範圍；SMl(A)為矽光電池對被測 光束響應的相對光譜靈敏度，Kd為矽光電池對被測光束響應的絕對光譜靈敏度的最大值。
f屍/(;i).x(，;i 在式(1)中，"^-實際上是對矽光電池所測的結果的修正，相當於
矽光電池利用光譜儀的測量值，實現對被測光束的自定標大幅降低了由SMl(A)與x(入) 的是匹配帶來的誤差。在本發明的光譜自校正光度計中，矽光電池和光譜儀同時測量同一
4束待測光，矽光電池的濾色片光譜修正和光譜儀的測量精度本身都不需要很高，但二者相 結合後的光輻射度精度卻能很高，對被測光源的光譜依賴性很小。 與多測量幾何、多光信號採樣窗口的測量方案相比，由光源不穩定、光源空間光譜 不均勻、儀器狀態不穩定、儀器對準等帶來的系統誤差和隨機誤差大大減小，測量重複性 高，且測量方便省時，單個光信號採集窗口的設計使光譜自校正光度計幾乎適用於任何光 度系統。 而且在使用本發明的光譜自校正光度計測量時，只需定標矽光電池對被測光束響 應的絕對光譜靈敏度和光譜儀的相對光譜響應，絕對量值的傳遞無需使用標準燈，而可直 接溯源至國家實驗室的絕對輻射計，量值傳遞鏈較短，避免了長量值傳遞鏈中的諸多不確 定因素。 上述的分布光度計可以通過下一方案進一步限定和完善 上述的矽光電池前的濾色片使矽光電池對入射入光口的被測光束響應的相對光 譜靈敏度與V( A )曲線相匹配，即從入光口經過光學分光鏡、濾色片等光學元件後，各元件 對入射光光譜成分變化的貢獻與矽光電池光譜靈敏度的乘積經歸一化後與V(A)函數相 匹配，此時光譜自校正光度計測量的是光度量。 上述的矽光電池前的濾色片使矽光電池對入射入光口的被測光束響應的相對光
譜靈敏度與平坦的直線相匹配，此時光譜自校正光度計測量的是寬帶輻射度量。 上述的矽光電池前的濾色片也使矽光電池對入射入光口的被測光束響應的與CIE
色度光譜三剌激值曲線相匹配的濾色片，在光譜自校正光度計中共有三塊或四塊帶濾色片
的矽光電池，分別測量各個剌激值，光譜自校正光度計測量的是色度量。 上述的矽光電池對被測光束響應的光譜靈敏度也可與其它光譜函數相匹配，測量 指定輻射度量，本處不再一一贅述。 上述的光學分光鏡是立方半透半反鏡，即光學分光鏡由兩塊直角稜鏡組成、其中
一塊的斜面上鍍半透半反膜。在該方案中，光學分光鏡的光束入射面對準入光口 ，光學分光
鏡具有兩個光束出射面，分別為透射出射面和反射出射面。 上述的光信號採集裝置的入光口前端設置有光學漫反射器。 上述光譜儀的取樣部件和光學分光鏡之間設置有光學漫反射器。 上述的光譜儀是具有多通道陣列探測器的光譜儀。該類光譜儀一般具有毫秒級的
測量速度，一方面能進一步提高本發明的光譜自校正光度計的測量速度；另一方面瞬態測
量更能適應發光隨時間變化的被測光源。 在光學分光鏡是立方形的半透半反鏡方案中，反射出射面對面的一個面也可以作 為光束入射面，稱為備用光束入射面，從備用光束入射面入射到光學分光鏡的光束也按固 定比例地被分成兩束，從透射出射面和反射出射面後射出。因此在備用光束入射面前設置 備用入光口 ，備用入光口是可遮蔽的，在不使用時處於遮蔽狀態。備用光束入光口可用於校 準光信號採集裝置，使標準燈的光束從備用光束入光口進入光學分光鏡後分別被光譜儀和 矽光電池接收和測量。標準燈可固定設置在備用入光口前，位於光學分光鏡中心和備用入 光口中心的延長線上。 上述入光口可視作限制光闌。例如在使用本發明的光譜自校正光度計測量LED的 平均光強時，入光口的口徑面積為lcm2。
在上述光譜自校正光度計的測量方法中，可採用標準光源對光譜自校正光度計定 標，也可採用絕對光譜響應量值的絕對輻射計作為標準源利用替代法定標使用光譜自校正 光度計的絕對值在相同的條件下，具有絕對輻射計和光譜自校正光度計先後測量同一束 單色光，矽光電池對單色光的響應光電流與絕對輻射計測得的單色光的功率相比，以一定 的波長間隔測量所需光譜範圍內的各個單色光，得到矽光電池對被測光響應的絕對光譜靈 敏度。 絕對輻射計可以為國家計量實驗室實現量值基準的輻射計或者直接溯源於該基 準，經過這樣的定標方法，整個光譜自校正光度計的量值傳遞過程很短，距國家最基準量值 僅兩步。而如使用標準燈定標，由於標準燈量值就是由基準輻射計經眾多傳遞過程而得到 的，在量值傳遞過程中的誤差因素不可避免，因此最後總的測量精度也會受到很大的影響。
在上述光譜自校正光度計的測量方法中，濾色片使矽光電池對進入光學分光鏡前 的入射光的光譜靈敏度與V(A)曲線相匹配，式(1)中的X(A)為V(A)， M為683， A工為 380nm， A 2為780nm。 根據以上所述，本發明具有光學分光鏡使帶濾色片的矽光電池和光譜儀同時測量 同一束待測光，矽光電池的光譜修正和光譜儀本身的精度都無需很高，就可大幅減小由光 譜失匹配帶來的誤差，且單個光信號採集窗口使整個測量的系統誤差和隨機誤差都較小， 操作方便省時，重複性高，幾乎可與任何光度系統相配合使用；同時光譜自校正光度計可直 接溯源於絕對光譜輻射計，無需標準燈就能實現光輻射度量的絕對測量，大大減小了量值 傳遞中的誤差。
附圖1是本發明的光譜自校正光度計的一個實施例的示意圖；
附圖2是本發明的光譜自校正光度計的另一個實施例的示意圖；
附圖3是本發明的光譜自校正光度計定標的示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖的實施例對本發明作進一步具體說明 如圖1所示的光譜自校正光度計的示意圖，包括入光口7、光學分光鏡1、光譜儀2、 矽光電池3和信號處理與輸出單元4。光學分光鏡1位於入光口 7後，被測光束經入光口 7 後入射到光學分光鏡1，光譜儀2的取樣部件6和矽光電池3分別位於光學分光鏡1的兩個 出射光束光路中。矽光電池3前設置有濾色片5，使矽光電池3對的入射入光口的被測光束 的響應的光譜靈敏度與特定曲線相匹配，取樣部件6到光學分光鏡1之間設置還有漫射器 8。信號處理與輸出單元4用於處理光譜儀2和矽光電池3的測量信號並輸出測量結果，它 與光譜儀2和矽光電池3電連接。 光學分光鏡1為半透半反鏡，被測光束從入光口 7進入光學分光鏡l，被測光束的 光軸與光學分光鏡1的反射面成45。夾角。被測光束被光學分光鏡l按固定比例分成兩 束，光譜儀2的取樣部件6設置在反射光束光路中；矽光電池3的感光面設置在透射光束 光路中，矽光電池3前的濾色片5使矽光電池3對入射入光口的光束的相對光譜響應度與 V(入)函數相匹配，並且矽光電池3與其電子單元9相連。
在圖2中的所示的實施例中，在入光口前安裝漫射器10，同時光學分光鏡1為立方 半透半反鏡，即光學分光鏡由兩塊直角稜鏡組成、其中一塊的斜面上鍍半透半反膜。光學分 光鏡1的光束入射面對準入光口 7，光學分光鏡1具有兩個光束出射面，分別為透射出射面 和反射出射面。矽光電池3的感光面設置在透射出射面後，矽光電池3前的濾色片5使矽 光電池3對入射入光口的光束的相對光譜響應度與V( A )函數相匹配，並且矽光電池3與 其電子單元9相連。而在反射出射面後設置作為漫射器8的積分球，積分球收集的光束經 光纖6輸入到光譜輻射計2，進行被測光的光譜測量。光譜輻射計2和矽光電池3的電子單 元9與信號處理與輸出單元4連接。同時在光學分光鏡1的反射出射面後具有備用光束入 射面，在備用光束入射面前設置可遮蔽的備用入光口 20，在光學分光鏡1與備用入光口 20 的延長線上設置標準燈21，用於校準反射光束和透射光束的比例。 光譜自校正光度計按圖3所示的替代法定標，一具有全光譜的光源11與雙單色儀 12相結合產生單色光，該單色光先後被光譜自校正光度計13和絕對輻射計14所接收，絕對 輻射計14的絕對光譜靈敏度是已知的，同時有參考通道15的探測器監視單色光的穩定度。 光譜自校正光度計13中的矽光電池3對單色光響應的光電流與絕對輻射計14所測單色光 的功率相比，經過雙單色儀12在全光譜範圍內的掃描，得到矽光電池對被測光的絕對光譜 靈敏度，光譜自校正光度計13中的光譜儀2使用常規的標準燈定標其相對光譜。
光譜自校正光度計定標後，可直接測量被測光源的光度量。被測光束進入入光口 7 後，光譜儀2測量被測光束的相對光譜功率分布，同時測得矽光電池3對被測光束的響應。 光譜儀2和矽光電池3的電子單元9將測量結果輸入到信號處理與輸出單元4，在信號處理 與輸出單元4中通過下式計算得到本次測量的光度量
683./ G: 其中，I為矽光電池對被測光束的響應光電流，A )為光譜儀測得的被測光的 相對光譜功率分布，Srel ( A )為矽光電池對被測光束響應的相對光譜靈敏度，Kd為矽光電池 對被測光束響應的絕對光譜靈敏度的最大值。
權利要求
光譜自校正光度計，其特徵在於包括入光口(7)、光學分光鏡(1)、光譜儀(2)、矽光電池(3)和信號處理與輸出單元(4)；光學分光鏡(1)位於入光口(7)後，被測光束經入光口(7)入射到光學分光鏡(1)，光譜儀(2)的取樣部件(6)和矽光電池(3)分別位於光學分光鏡(1)的兩個出射光束光路中；矽光電池(3)的感光面前設置有使矽光電池(3)對入射入光口(7)的被測光束產生響應的相對光譜靈敏度曲線與特定光譜效能函數相匹配的濾色片(5)；處理光譜儀(2)和矽光電池(3)的測量信號並輸出測量結果的信號處理與輸出單元(4)電連接光譜儀(2)和矽光電池(3)。
2. 根據權利要求l所述的光譜自校正光度計，其特徵在於所述的濾色片(5)是使矽光 電池(3)對被測光束響應的相對光譜靈敏度曲線與V(A)曲線或平坦的直線或CIE色度光 譜三剌激值函數相匹配的濾色片(5)。
3. 根據權利要求1或2所述的光譜自校正光度計，其特徵在於所述的光學分光鏡(1) 是由兩塊直角稜鏡組成且兩稜鏡相粘接的面上鍍半透半反膜的立方半透半反鏡。
4. 根據權利要求1或2所述的光譜自校正光度計，其特徵在於入光口 (7)前設置有漫 射器(10)。
5. 根據權利要求1或2所述的光譜自校正光度計，其特徵在於所述的光學分光鏡(1) 與光譜儀(2)的取樣部件(6)之間設置有漫射器(8)。
6. 根據權利要求1或2所述的光譜自校正光度計，其特徵在於所述的光譜儀(2)是具 有多通道陣列探測器的光譜儀。
7. 根據權利要求6所述的光譜自校正光度計，其特徵在於光學分光鏡(1)的反射出射 面對面具有備用光束入射面，在備用光束入射面前設置可遮蔽的備用入光口 (20)，在光學 分光鏡(1)中心到備用入光口中心的延長線上設置有標準燈(21)。
8. —種光譜自校正光度計的測量方法，其特徵在於包括以下步驟a. 光譜儀(2)和對被測光束絕對靈敏度已知的矽光電池(3)同時測量入射入光口 (7) 的被測光束，得到矽光電池(3)的響應光電流和待測光源的相對光譜功率分布，並將結果 輸入信號處理與輸出單元(4);b. 信號處理與輸出單元(4)根據步驟a的結果按下式計算出被測光束的光輻射度式中，I為矽光電池(3)對被測光束的響應光電流，ptT(入)為光譜儀(2)測得的被測光 的相對光譜功率分布，X(A)為特定光譜效能函數，即矽光電池(3)對被測光束響應的光譜 靈敏度需與之相匹配的光譜效能函數，M為光譜效能函數的單位轉換係數，M*X( A )為特定 絕對光譜效能函數，、 、是相應光輻射度量對應的波長範圍；S^(A)為矽光電池(3) 對被測光束響應的歸一化相對光譜靈敏度，Kd為矽光電池(3)對被測光束響應的絕對光譜 靈敏度的最大值。
9.根據權利要求8所述的光譜自校正光度計的測量方法，其特徵在於在測量被測光束 的光度量時，所述的X(A)為V(A)，M為683，、為380nm， A 2為780nm。
全文摘要
本發明公開了一種光譜自校正光度計及其測量方法，包括入光口、光學分光鏡、光譜儀和具有濾色片的矽光電池，光學分光鏡將被測光按固定比例至少分成兩束，一部分光束被光譜儀接收，另一部分光束被矽光電池接收，二者同時測得同一束被測光。本發明的光譜自校正光度計能大幅減小由光譜失匹配帶來的誤差，對被測光的光譜依賴性小，且克服了由被測光源的空間光譜功率分布不一致和發光隨時間變化等帶來的問題，測量的系統誤差和隨機誤差都相對較小，測量重複性高；利用絕對光譜輻射計作為標準源定標本發明的光譜自校正光度計，光輻射度的絕對量值傳遞鏈很短，光譜自校正光度計具有較高精度和可靠性的絕對量值，可應用於各種光輻射測量系統，測量多種重要的光輻射參數。
文檔編號G01J1/10GK101782428SQ200910095709
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者李倩, 潘建根 申請人:杭州遠方光電信息有限公司