基於分光光譜光度、夜視輻射強度測試儀的製作方法

2023-04-23 11:28:51

專利名稱：基於分光光譜光度、夜視輻射強度測試儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光度、夜視輻射強度測試儀，特別是涉及一種基於分光光譜光度、夜視輻射強度測試儀。
背景技術：
傳統的光度測試是通過光電傳感器加V( λ )濾光器修正後，使光電傳感器的相對光譜響應度與人眼視見函數相接近或一致，光度測試要求儀器的光電傳感器的相對光譜響應度函數曲線如圖1所示。修正後傳感器的相對光譜響應度與人眼視見函數完全重合一致，理論上說可以，實際上是不可能的。只能達到國際和國家的標準和相關檢定規程規定的誤差，經目前國際國內通用的標準光源標定方法標定後，用於測量傳統的光源的光度值是完全可行的。但隨著LED照明光源的應用，用這樣的光電傳感器製作的經標定都是合格的二臺或三臺儀器去測量同一隻LED照明光源時，經常可出現達30%或更大的誤差。這是因為V ( λ )濾光器匹配中，在不同的波長區總是不可能完全一致，而LED的輻射光譜又具有強的光譜選擇性，從而引起如此大的測試誤差。飛機夜視兼容照明燈具是為飛行員提供利用微光夜視儀進行夜間飛行的關鍵設備，其關鍵技術指標輻射強度值的大小將直接關係到飛行員在夜間夜視成像系統(Mght vision image system,NVIS)中能否安全觀察並正常飛行。國際及國軍標中規定的夜視輻射A類和B類的相對光譜響應度函數分別如圖2、圖3所示。傳統測量儀器使用的方法是首先選用一種矽光電探測器測量出其相對光譜響應度特性曲線，一般矽光電探測器的光譜響應度曲線如圖4所示。根據矽光電探測器的相對光譜響應度分布曲線分別配製濾光片，使其相對光譜響應度分布與圖1、圖2和圖3所示的標準光度、A類和B類NVIS的光譜分布相一致，從而實現光度、A類NVIS、B類NVIS的輻射強度的測試。該方法的優點是這樣設計製作的儀器操作簡單，成本較低，而其最大的缺點是，不管採用怎樣的技術設計加工的濾光片與矽光電探測器組合後，其相對光譜響應度分布與標準V ( λ )、A類NVIS、B類NVIS光譜分布完全一致是不可能的，目前世界上做的最好的V( λ)濾光片的匹配誤差也在2%左右。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種測試結果準確的光度、夜視輻射強度測試儀。本實用新型解決技術問題所採用的技術方案是基於分光光譜光度、夜視輻射強度測試儀，其特徵在於按光路依次包括光纖、光譜儀、CCD光電傳感器、A/D轉換器和計算機，在所述光纖的入射端頭設置有餘弦修正器和精密光欄。進一步的，在所述光譜儀中設置有光控同步觸發器。進一步的，所述CXD光電傳感器的光譜範圍為380nm-930nm。本實用新型的有益效果是本實用新型可準確測試LED光源及其它光源的光強度值、機外照明燈具的A類和B類NVIS輻射強光譜輻射亮度值以及機外照明燈具的夜視輻射強值NR的測試，獨特的光控同步觸發技術還可實現閃爍光源如防撞燈的光度、夜視輻射強度NRI的測試，測試結果準確可靠。

圖1是人眼視見函數V( λ)光譜響應度分布係數曲線圖。圖2是A類NIVS的光譜響應度分布係數曲線圖。圖3是B類NIVS的光譜響應度分布係數曲線圖。圖4是矽光電探測器的相對光譜響應度分布曲線圖。圖5是本實用新型的結構框圖。圖6是本實用新型的儀器光度擬合V( λ)定標曲線圖。圖7是本實用新型的儀器A類NVIS光譜輻亮度擬合定標曲線圖。圖8是本實用新型的儀器B類NVIS光譜輻亮度擬合定標曲線圖。
具體實施方式
光度測量的定義及原理是對於光度測量，用帶V( λ)濾光器的光探測器測量光源時，探測器的輸出光電流為
( 780/ . \I(A) = \^Φβ{λ)5{λ) λ(1)式中Φβ(λ)是光源的光譜功率分布；SU)是探測器的光譜響應度，它可表示為S(A) (A/ff) = S (555) Sn ( λ )(2)式中S(555) (A/ff)是在555nm處S(X)的絕對光譜響應度值，這裡需要強調的是，Sn ( λ )相似於V ( λ )，兩者都是相對於峰值555nm的函數，那麼，光探測器的光通量響應度可表示為
/ 780Sv(A Ilm) = 一 =---( 3 )
φν Κτη^Φβ(λ)ν(λ) λ對於帶V ( λ )濾光器的光探測器，如Sn ( λ )等於V ( λ )，光通量響應度與光的功率分布無關。實際上是不可能相等的，Φβ(λ)的匹配修正因子是用下式計算出
/ 780
f Φβ{λ)·Υ{λ) λF = ^--(4)
\^5η{λ)·ν{λ) λ一般SnU)與ν(λ)越接近，F越接近1。而本實用新型的方法是在光源的光譜功率為Φθ(λ)的條件下，通過一體化的測試儀器準確測定探測器的相對光譜響應度分布，然後準確將儀器的光譜響應度分布通過數字的方法擬合成與V( λ)函數完全一致。根據測光原理，用這種儀器測量光源的光通量時，其輸出光電流與光通量(Im)之間的關係為
4_ 「、 Km · F · I/Γ-Λ
剛―)=^^(5)式中F= 1測量光照度與儀器用的有效光欄面積A之間的關係為ev{1x) = j^a(6)測量距離為Y的點光源時光強為
τ , ,、 Km · I · γ2 η\Iv{cd)=^r⑵由以上描述可知，用本實用新型的儀器測量光源的光度量值時，不存在ν(λ)的匹配誤差問題，從而可以實現不同光譜功率分布(如LED)光源的光度量值的準確測試。NVIS輻射強度的定義是機外光源的光譜輻射強度與夜視鏡的光譜響應度值的積分。該積分值即為NVIS輻射強度NRI。NVIS光譜輻射強度與夜視鏡光譜響應度分布曲線一體化的方法類似於上述光度學中的光強，對於點光源同樣遵循平方反比定律。
TVTT^TC930NRI = G(A)max I50 G(A) · ^ · Ν(λ) λ式中G(X)max= ImA/WG(A)=夜視鏡相對A類或B類的相對光譜響應度。S=亮度比例係數。Ν(λ)=光源的光譜輻亮度W/cm2 · sr · nm，dO)=5nm。NVIS輻射強度NRI的測量NVIS輻射強度NRI的測量就象常規光強的測量一樣，對NVIS的輻射強度NRI的測量理論來說，只要設計一個與NVIS的A類和B類相對光譜響應度一致的測光探測器，帶上餘弦校準器就能測出被測光源的NVIS的輻射強度NRI NRI =無亮度比例係數的A類NVIS輻亮度X距離的平方艮口NRI = G(X )A · I2式中G( λ )A為NVIS的A類光譜輻射亮度，1為被測光源到探測器間的距離。對於光源光譜輻射亮度的測試，在光纖上可設置成像光學系統，成像光學系統將被測光源發出的光成像在光纖的端頭後再耦合到光譜儀，但由於光纖的纖芯很細，對成像光學系統的成像質量要求非常高，而且在測量中，需要將成像光學系統對準被測光源的發光面的位置，操作難度非常大，測試誤差也較大。因此，本實用新型不採用成像光學系統，而採用餘弦修正器，將餘弦修正器和精密光欄設置在光纖的入射端頭，精密光欄的作用是可以通過光欄的面積計算入射的光能量。餘弦修正器可以校正光纖的角度響應特性，使之符合餘弦特性，這對於對準被測光源沒有任何特殊的要求，從而非常方便地適用於測量不同大小發光面的光源。本實用新型的結構框圖如圖5所示，被測光源發出的光經餘弦修正器後的光纖耦合到光譜儀的入射狹縫，在光譜儀的出射狹縫設置有CCD光電傳感器，CCD光電傳感器將接收到的光信號轉變成電信號後，再經過A/D轉換器後通過USB接口與計算機相連，計算機通過測試控制軟體對被測光源的光譜輻射進行數據採集和處理，調取不同的定標係數，實現光度、A類NVIS、B類NVIS光譜輻射亮度及NVIS輻射強度的測試。本實用新型的儀器帶分光光譜儀系統，CCD光電傳感器是陣列型，其光譜範圍為 380nm-930nm，可在標準光源提供的輻射情況下準確測定探測器的相對光譜響應度及絕對光譜響應度，然後根據探測器的相對光譜響應度分布採用數字擬合的方法準確校正探測器的相對光譜響應度分布，使其與標準V ( λ )、A類NVIS、B類NVIS光譜分布完全一致，匹配可做到無誤差，傳統方法是無法做到的。本實用新型還可在光譜儀中設置光控同步觸發器，當被測光源是閃爍光源時，被測光源發出的閃爍光經光控同步觸發器後，通過同步控制測試系統實現對持續時間大於 IOms的閃爍光源的光度、NVIS輻射強度的測試。為了確保測試結果準確可靠，本實用新型可首先對光譜儀的波長準確度進行校正，誤差控制在小於lnm，校正結果列於表1。表1 光譜儀用汞燈校準的結果標準值(nm)365.0 404.6 435.8 546. 1 577.0 579.0儀器測試值(nm)365. 2 404. 4 435. 7 546. 3 576. 7 578. 9波長校準完成後，再對光譜儀的絕對光譜響應度進行校準，校準完成後，在標準燈的工作狀態下準確校準光譜儀的相對光譜響應度，並對光譜儀進行V( λ )光度、NVIS的A類和B類的定標校準，數字擬合定標曲線，分別如圖6、圖7、圖8所示。標定好光譜儀後測試一參考標準燈的結果列於表2。表2 光譜儀測試參考標準燈的結果
波長標準值 μ W /sr. cm2, nm儀器示值 μ W /sr. cm2, nm波長標準值 μ W /sr. cm', nm伩器示值 μ W /sr. cm2, nm波長標準值 μ W /sr. cm2, nm儀器示值 μ W /sr. cm2, nm(nm)(nm)(nm)3800.1970.1995652.5742.5907505.7175.7493850.2170.2195702.6712.6897555.7915.8243900.2460.2485752.7612.7797605.8715.9033950.2850.2875802.8592.8777655.9395.9734000.3250.3285852.9452.9647706.0206.0544050.3660.3685903.0303.0507756.0826.1164100.4110.4145953.1313.1517806.1396.1734150.4550.4586003.2093.2307856.2146.2494200.4980.5026053.3073.3287906.2526.2874250.5470.5516103.3983.4207956.3336.3694300.6040.6076153.4813.5038006.3966.4314350.6510.6566203.5683.5918056.4386.4754400.6960.7016253.6663.6908106.4796.5144450.7460.7516303.7533.7778156.5706.6074500.8050.8126353.8393.8608206.6056.64權利要求1.基於分光光譜光度、夜視輻射強度測試儀，其特徵在於按光路依次包括光纖、光譜儀、CCD光電傳感器、A/D轉換器和計算機，在所述光纖的入射端頭設置有餘弦修正器和精密光欄。
2.如權利要求1所述的基於分光光譜光度、夜視輻射強度測試儀，其特徵在於在所述光譜儀中設置有光控同步觸發器。
3.如權利要求1所述的基於分光光譜光度、夜視輻射強度測試儀，其特徵在於所述 C⑶光電傳感器的光譜範圍為380nm-930nm。
專利摘要本實用新型提供一種測試結果準確的光度、夜視輻射強度測試儀。基於分光光譜光度、夜視輻射強度測試儀，按光路依次包括光纖、光譜儀、CCD光電傳感器、A/D轉換器和計算機，在所述光纖的入射端頭設置有餘弦修正器和精密光欄。本實用新型可準確測試LED光源及其它光源的光強度值、機外照明燈具的A類和B類NVIS輻射強光譜輻射亮度值以及機外照明燈具的夜視輻射強值NR的測試，獨特的光控同步觸發技術還可實現閃爍光源如防撞燈的光度、夜視輻射強度NRI的測試，測試結果準確可靠。
文檔編號G01J1/42GK202188903SQ201120263998
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月25日 優先權日2011年7月25日
發明者吳偉鋼, 曹遠生, 譚和平 申請人:四川中測科技投資有限公司