一種空間光譜輻射測量方法

2023-09-20 23:48:10

專利名稱：一種空間光譜輻射測量方法
技術領域：
本發明屬於光輻射測量領域，具體涉及一種空間光譜輻射測量方法。
背景技術：
分布光譜輻射計由旋轉臺和光譜儀構成，主要用於測量光源或燈具的空間顏色分布。近年來LED產業迅猛發展，然而，LED產品存在著光色分布不均勻的現象，嚴重影響了產品性能及其推廣應用，因此對於LED產品，必須用分布光譜輻射計來準確測量其空間光譜分布，分布光譜輻射計在半導體照明產品的檢測中發揮著越來越重要的作用。現有利用分布光譜輻射計測量光源或燈具的空間光譜輻射的方法，都是採用「間隔轉停」模式，即在一定的空間角度範圍內，光譜儀在某個角度上停頓一段時間測量被測光源的光譜；再轉過一定的角度間隔，在該角度上停頓一段時間測量光譜；依此類推。每次轉過一定的角度間隔並停止測量光譜，直至完成整個待測角度範圍的測量。這種測量方法光譜儀需要多次啟動和停止，機械上很難對啟動和停止時的位置進行精確定位，因此測量角度準確度較低，並且長期重複性難以保證；由於該方法採用「轉停」模式，整個測量過程耗時長，特別是在角度間隔取得較小的時候，測量時間甚至長達十幾個小時、幾十個小時，不能滿足某些需要進行大量多次試驗的實驗室的快速測量要求。另外，傳統的「間隔轉停」模式只能採集和測量空間角度範圍內某些離散點的光色信息，而不能對其他角度上的光色信息進行採樣測量，導致採用該模式的測量結果不能真實反映被測光源的光色分布，測量誤差大；而且目前「間隔轉停」模式一般採用等角度間隔的取樣方法，這種取樣方法極容易導致測量誤差更大，特別是對於某些光色分布不均勻的光源，這是由於LED等光色分布不均勻的光強，在某些局部區域內光強或顏色變化非常快，等間隔的取樣方法特別容易丟失上述區域內的大量光色信息，導致測量誤差進一步增大。此外，在傳統的測量方法中，角度和光譜值是分別傳輸到上位機上進行處理的，如果在旋轉臺某些角度上的測試數據由於人為、 環境等因素的改變而缺失或者不準確，整個測試數據的次序將被打亂，導致測試結果完全不可用。

發明內容
為克服傳統測量方法的缺陷，本發明旨在提供一種相對連續旋轉和同步採樣測量的空間光譜輻射測量方法，具有機械穩定度高、耗時短、測量準確度高、可靠性和穩定性好等特點。本發明公開了一種空間光譜輻射測量方法，包括被測光源、光譜儀和旋轉臺，光譜儀獲取被測光源的光譜，其特徵在於，在旋轉臺的帶動下，所述的光譜儀繞被測光源作相對連續轉動，旋轉臺獲取相對轉動的角度信息，同時光譜儀同步地採集和測量被測光源的光信號。在測量過程中，旋轉臺的連續旋轉與光譜儀的採集和測量光信號保持同步，旋轉臺帶動光譜儀和被測光源相對連續轉動並獲取相對連續轉動角度信息，光譜儀同步地採集和測量被測光源的光信號，實現被測光源光譜特性和色度參數的測量，如平均色度特性、空間顏色不均勻性等。相比於傳統分布光譜輻射計的「間隔轉停」的離散測量模式，由於旋轉臺帶動光譜儀繞被測光源作相對連續轉動，整個測量裝置不需要多次啟動和停止，機械自身穩定度高；同時大幅縮短了測量時間，提高了測試效率。在利用分布光譜輻射計測量空間光譜輻射分布時，傳統的「間隔轉停」模式(圖I 中離散點表示的測量模式)僅能測量某些離散點的光譜值，而角度間隔內其他點的光譜值均不能被測量，一般將角度間隔內其他點的光譜值都用前一個離散點上測得的光譜值替代，這種數據處理方法誤差較大，特別對於某些光色分布不均勻的光源測量誤差更大。而本發明(圖I中連續曲線表示的測量模式)中，光譜儀對被測光源空間角度範圍內的光色信息連續採樣測量，光譜儀每次積分獲取的是一段角度範圍內的光信號，該模式測得的光譜數據齊全，可準確反映整個被測光源的空間光譜分布。因此，相比於傳統的「間隔轉停」離散測量模式，利用本發明的相對連續旋轉和同步採樣方法得到的空間光譜分布更為準確，測量結果準確度高。本發明還可以通過以下技術方案進一步限定和完善。作為優選，包括與旋轉臺和光譜儀均電連接的控制中心；測量過程中，旋轉臺將相對轉動角度信息發送至光譜儀，光譜儀將角度和光譜值相對應的二維信號輸出至控制中心；或者旋轉臺將相對轉動角度信息、光譜儀將光譜值分別發送至控制中心，，控制中心接收角度和光譜值相對應的二維信號。上述技術方案保證了角度和光譜數據的嚴格對應，克服了傳統測量方法的缺陷，即使旋轉臺某些角度上的測試數據缺失或者不準確，也不會影響其他位置上測試數據的準確性，測量結束後，測試人員可以根據被測光源的發光特性採用插值或者其他方法擬合上述缺失位置的數據，大幅提高測試數據的可靠性和準確性。作為優選,測量時,旋轉臺連續轉動,控制中心發出與旋轉臺連續轉動相同步的脈衝信號、並將該脈衝信號發送至光譜儀，光譜儀在同步脈衝信號的驅動下採集和測量被測光源的光信號。在實現上述技術方案的過程中，旋轉臺在控制中心的控制下連續轉動，或者旋轉臺外接一控制器，控制器控制旋轉臺的連續轉動。作為一種技術方案，通過控制同步脈衝信號來控制光譜儀的工作狀態。具體地講， 所述的同步脈衝信號僅控制光譜儀的開啟，光譜儀到達預設的積分時間後自動關閉；或者所述的同步脈衝信號控制光譜儀的開啟和關閉，光譜儀的積分時間為開啟和關閉之間的脈衝間隔。例如，所述的同步脈衝信號為單次脈衝，待光譜儀達到預設的積分時間後自動關閉，如圖2和3所示；或者光譜儀每次工作通過兩次脈衝來控制，第一個脈衝開啟積分，第二個脈衝關閉積分，例如所述的同步脈衝信號為矩形脈衝信號，光譜儀的每次開啟通過矩形脈衝信號的上升沿觸發，通過矩形脈衝信號的下降沿觸發來關閉光譜儀，如圖4和5所示。對於光色分布均勻的被測光源，在待測角度範圍內，光譜儀連續均勻地採集光譜數據對測量結果的準確度影響不大；但是對於LED等光色分布不均勻的被測光源，在待測角度範圍內，光譜儀連續均勻地採集數據將帶來較大的測量誤差，特別是對於局部光強或顏色變化較快的光源，不僅測量誤差大，且測試速度也較慢。這是由於對於光色分布不均勻的光源，均勻採集光譜數據不能準確地反映其光色分布，只有在其光強或顏色變化較快的區域，增加光譜的採集數據量，在光強或顏色變化較慢的區域，減小光譜的採集數據量，才能保證測量準確度。
作為一種技術方案，測量時，在被測光源的光強或顏色變化較快的角度範圍內，減小光譜儀的積分時間，增加光譜儀的採集數據量，保證了該區域光色測量的準確性；在被測光源的光強或顏色變化較慢的角度範圍內，增大光譜儀的積分時間，減小光譜儀的採集數據量，這些變化緩慢的角度內的測量結果對整個空間光譜分布影響較小，減少其採集數據量不會對測量結果造成太大影響，上述方法保證了光譜儀採集數據的合理分布，提高了測量準確度。其中，被測光源的光強或顏色變化的情況可通過對光強或顏色進行二次求導進行，通過比較二次導數值(即等光強變化梯度圖)即可判斷其變化情況。例如，在整個測量過程中，在5° ^lO0的範圍內，被測光源的光強或顏色變化劇烈，光譜儀的積分時間可取為 IOms或者更小；在10° 15°的範圍內，被測光源的光強變化緩慢，光譜儀在該角度範圍內的積分時間可取為50ms或者更大。在測量過程中，如果被測光源在空間角度範圍內光色分布均勻，同步脈衝信號的脈衝間隔可以是相等的，即在測量過程中保持脈衝間隔不變，如圖2和4所示的在 0° ^25°的測量角度範圍內，保持相同的脈衝間隔，其採集的光譜值也是均勻分布的。如果被測光源在空間角度範圍內光色分布不均勻，所述的同步脈衝信號則取為非等間隔的， 其採集的光譜數據量也是改變的，如圖3和5所示的在0° ^25°的測量角度範圍內被測光源的光強或顏色變化越來越慢，脈衝間隔也逐漸增大，採集的光譜數據量逐漸減少。因此，上述的同步脈衝信號無論是僅控制光譜儀的開啟，還是同時控制光譜儀的開啟和關閉， 都可通過改變同步脈衝信號的脈衝間隔來改變光譜儀的採集數據量，即通過減小驅動光譜儀同步脈衝信號的脈衝間隔來增加光譜儀的採集數據量；反之，通過增大同步脈衝信號的脈衝間隔來減小光譜儀的採集數據量。例如，在5° ^lO0角度範圍內，被測光源的光強較弱或變化緩慢，脈衝信號的脈衝間隔取為IOOms或者更高，其採集的光譜數據少；而在 10° 30°角度範圍內，被測光源的光強或顏色變化較快，脈衝信號的脈衝間隔取為20ms 或者更低，採集的光譜數據較多，能真實反映被測光源的光色分布。作為優選，在測量過程中，至少應根據光譜儀前一次的測試結果來預設光譜儀本次的積分時間。一般上，由於光譜儀在積分時間內的精確測量值應處於一個合理取值區間內(如積分光電轉化信號在最大AD值的309Γ90%區間內)，因此，可以根據光譜儀前一次或者前幾次的測試結果來設置本次的積分時間，直至調整到光譜儀的測量值處於其合理的取值區間內。例如，假設光譜儀的最大AD值記為Ipmax，若光譜儀前一次的積分時間為30ms，其測試結果為20% Ipmax,則前一次的積分時間過小，應增大光譜儀本次的積分時間，將本次的積分時間設為60ms，得到測試結果為40% Ipmax,為有效測量值；又例如，光譜儀前三次的積分時間均為50ms，前三次對應的測試結果為40% Ipmax,35% Ipmax和32% Ipmax，光譜儀的測試結果逐漸減小，為防止本次測試結果偏離光譜儀的合理取值區間，應增大本次的積分時間， 可將本次的積分時間調整到80ms或者更大。本發明中，光譜儀繞被測光源作相對連續轉動，這種相對連續轉動可以是勻速轉動，也可以是非勻速轉動的。作勻速轉動時，光譜儀始終繞被測光源作速率相等的相對連續勻速轉動，這種轉動情況下，可通過改變光譜儀的積分時間來改變光譜儀的採樣測量次數。 作非勻速轉動時，光譜儀繞被測光源作加速度大小變化的相對連續非勻速轉動，光譜儀相對轉動加速度的大小隨被測光源的光強或顏色的變化而變化，從而改變光譜儀的採集數據量。測量時，光譜儀繞被測光源作加速度大小變化的非勻速相對轉動，在被測光源的光強或顏色變化較快的角度範圍內，減小光譜儀的相對轉動加速度，以減小光譜儀的轉動速率，從而增加光譜儀的採集數據量；在被測光源的光強或顏色變化較慢的角度範圍內，增大光譜儀的相對轉動加速度，以增大光譜儀的轉動速率，從而減小光譜儀的採集數據量。需要指出的是，在整個測量過程中，光譜儀的相對轉動加速度的大小可多次改變，例如在5° ^20° 的角度範圍內，被測光源的光強或顏色變化特別快，相對轉動加速度的大小可以取較小值， 如3m/s2;在20°飛0°的角度範圍內，被測光源的光強或顏色變化相對較快，相對轉動加速度可取為lOm/s2 ;在50°、0°的角度範圍內，被測光源的光強或顏色變化較慢，相對轉動加速度取為20m/s2。此外，對於非勻速轉動的情況，除了通過改變光譜儀相對轉動加速度的方法來改變光譜儀的採集數據量，也可以同時採用改變光譜儀的積分時間方法和/或改變脈衝間隔方法來改變光譜儀的採集數據量，即上述三種方法是可以聯合使用的。例如，在0° ^25° 的測量角度範圍內，被測光源的光強或顏色變化相對較快，相對轉動加速度可取為lOm/s2， 同時將光譜儀的積分時間取為IOms ;在在50°、0°的角度範圍內，被測光源的光強變化緩慢，相對轉動加速度取為20m/s2，同時將光譜儀的積分時間取為30ms。因此，本發明中， 針對被測光源的光強或顏色的具體變化趨勢，可靈活選擇使用改變光譜儀採樣數據量的方法。測量時，光譜儀的單次採樣測量值記為該積分時間內的採樣起始點或中間點或結束點所對應空間角度的結果。例如，光譜儀在某一積分時間內從5°轉到10°，光譜儀在該角度範圍內連續採樣和測量，則測得的光譜值可以記為5°上的光譜值，或者記為8°上的光譜值，或者記為10°上的光譜值。由於本發明中光譜儀繞被測光源作相對連續轉動，則有多種具體的實現方式。在實際測量過程中，被測光源保持不動，光譜儀繞被測光源連續轉動；或者光譜儀保持不動， 被測光源繞光譜儀連續轉動；或者光譜儀和被測光源以不同的速率同時連續轉動。作為一種技術方案，本發明中光譜儀的主機部分也可以靜止不動，從光譜儀的光纖接入端引出一根光纖。在實際測量過程中，僅光譜儀的光纖繞被測光源作相對連續轉動， 光纖採集被測光源的光信號，並將光信號導入到光譜儀中測量。作為優選，所述的旋轉臺通過在其內部設置角度傳感器來獲取角度信息，角度傳感器實時記錄被測光源和光譜儀的相對連續轉動角度信息，並將角度信息發送至控制中心。測試時，旋轉臺連續轉動，從而驅動光譜儀繞被測光源相對連續轉動，角度傳感器實時記錄被測光源和光譜儀的相對連續轉動角度信息並將上述角度信息發送至控制中心。綜上，本發明採用旋轉臺帶動光譜儀繞被測光源作相對連續轉動，同時光譜儀同步地採集和測量被測光源的光信號。相比於傳統的「間隔轉停」的離散測量模式，測量系統無需多次啟動和停止，機械穩定度高，測試結果準確度高、可靠性好；同時根據被測光源光強或顏色的變化情況來調節光譜儀的採集數據量，既大幅縮短了測量時間、提高了測試效率，又避免了光色信息變化快的區域內光色信息的缺失，測量準確度高；此外，由於控制中心接收角度和光譜相對應的二維信號，嚴格保證了測試數據的可靠性和準確性。因此，本發明的有益效果是採用相對連續旋轉和同步採樣測量的方法替代了傳統「間隔轉停」的測量方法，同時根據被測光源的光強或顏色變化情況實時改變光譜儀的採集數據量，即保證了測量準確度，也保證了測量速度，具有機械穩定度高、測量時間短、準確度高、可靠性和穩定性好等特點，能夠滿足需進行大量多次試驗的實驗室的快速精確測試要求。


圖I是傳統「間隔轉停」的離散測量方法與本發明的測量方法的比較示意圖2是本發明單次等間隔脈衝信號的示意圖3是本發明單次非等間隔脈衝信號的示意圖4是本發明矩形等間隔脈衝信號的示意圖5是本發明矩形非等間隔脈衝信號的示意圖6是本發明實施例I的示意圖7是本發明實施例I的結構圖8是本發明實施例2的示意圖9是本發明實施例2的結構圖10是本發明實施例2中被測光源的等光強變化梯度圖。
具體實施例方式實施例I
如圖6和7所示，本實施例公開的分布光譜輻射計中，包括被測光源I、光譜儀2、旋轉臺3和控制中心4，旋轉臺3和光譜儀2均與控制中心4電連接，在旋轉臺3內部設置角度傳感器，光譜儀2繞被測光源I作連續的勻速轉動。本實施例中的旋轉臺3可在兩個相互垂直的二維平面內旋轉，控制中心4為上位機。如圖4所示,上位機4控制旋轉臺3繞Y軸連續轉動,帶動光譜儀2繞Y軸連續轉動； 上位機4控制旋轉臺3繞C軸等間隔轉動，帶動被測光源I繞C軸等間隔轉動。在測試過程中，在某二維測量平面上，具體的測試步驟如下
1)上位機4控制旋轉臺3連續轉動,被測光源I保持靜止不動,旋轉臺3繞Y軸連續轉動，帶動光譜儀2在與Y軸垂直的平面內繞被測光源I連續轉動；
2)角度傳感器實時記錄光譜儀2的連續轉動角度信息並將角度信息發送至上位機4；
3)上位機4將角度信息發送至光譜儀2，同時發出使光譜儀2同步採集被測光源I光信號的脈衝信號。本實施例中被測光源的光色分布較為均勻，則脈衝信號的脈衝間隔是相等的，且光譜儀2通過單次脈衝來控制，如圖2所示。4)光譜儀2在脈衝信號的驅動下實時採集被測光源I的光信號，並輸出角度和光譜相對應的二維信號；
5)光譜儀2將上述二維信號傳輸到上位機4上，上位機4存儲、處理光譜和角度信息， 並輸出測量結果，以完成一個測試平面的測量。上位機4控制旋轉臺3繞C軸等間隔轉動，帶動被測光源I繞C軸旋轉到另外一個測量平面，再按照上述步驟進行測試。被測光源I依次繞C軸旋轉到測量平面垂直的二維空間的各個平面上，以完成整個空間光譜分布測量。實施例2
如圖8和9所示，和與實施例I不同的是，本實施例公開的分布光譜輻射計中，被測光源I繞光譜儀2作連續的勻速圓周運動，上位機4控制旋轉臺3繞H軸連續轉動，帶動被測光源I在與H軸垂直的平面內連續轉動；上位機4控制旋轉臺3繞V軸等間隔轉動，相當於光譜儀2相對於被測光源I等間隔轉動。此外，設置一個控制器5，控制器5與光譜儀2、旋轉臺3和上位機4均電連接，如圖9所示。在某二維測量平面上，具體的測試步驟如下
1)控制器5控制旋轉臺3連續轉動，光譜儀2保持靜止不動，旋轉臺3帶動被測光源I 在與H軸垂直的平面內繞光譜儀2連續轉動；
2)角度傳感器實時記錄被測光源I的連續轉動角度信息並將角度信息發送至控制器
5 ；
3)控制器5將角度信息發送至光譜儀2，同時發出使光譜儀2同步採集被測光源I光信號的脈衝信號。本實施例中被測光源的光色分布不均勻，則脈衝信號的脈衝間隔是隨被測光源的光強或顏色的變化為變化的，這裡的光譜儀2的啟動和關閉均通過矩形脈衝來控制，如圖5所示。4)光譜儀2在脈衝信號的驅動下實時採集被測光源I的光信號，並輸出角度和光譜相對應的二維信號；
5)光譜儀2將上述二維信號傳輸到上位機4上，上位機4存儲、處理光譜和角度信息， 並輸出測量結果，以完成一個測試平面的測量。控制器5控制旋轉臺3繞V軸等間隔旋轉到另外一個測量平面，再按照上述步驟進行測試。旋轉臺3依次繞V軸等間隔地旋轉到各個測量平面上，以完成整個空間的顏色分布測量。圖10是本實施例測得的某一燈具的等光強變化梯度圖，從圖中可看出，對於V 角度，0°飛0°的角度範圍內，被測光源I的光強變化較慢，光譜儀的採集數據量較少； 在-70° -40°的角度範圍內，被測光源I的光強變化較快，光譜儀的採集數據量較多； 在-40° 0°的角度範圍內，被測光源I的光強變化位於0°飛0°和-70° -40°之間， 則光譜儀的採集數據量也可相應地取中間值。
權利要求
1.一種空間光譜輻射測量方法，包括被測光源(I)、光譜儀(2)和旋轉臺(3)，光譜儀 (2)獲取被測光源(I)的光譜，其特徵在於，在旋轉臺(3)的帶動下，所述的光譜儀(2)繞被測光源⑴作相對連續轉動，旋轉臺⑶獲取相對轉動的角度信息，同時光譜儀⑵同步地採集和測量被測光源(I)的光信號。
2.如權利要求I所述的一種空間光譜輻射測量方法，其特徵在於，包括與旋轉臺(3)和光譜儀(2)均電連接的控制中心(4);測量過程中，旋轉臺(3)將相對轉動角度信息發送至光譜儀(2)，光譜儀(2)將角度和光譜值相對應的二維信號輸出至控制中心(4);或者旋轉臺(3)將相對轉動角度信息、光譜儀(2)將光譜值分別發送至控制中心(4)，控制中心(4) 接收角度和光譜值相對應的二維信號。
3.如權利要求2所述的一種空間光譜輻射測量方法，其特徵在於，測量時，控制中心 (4)發出與旋轉臺(3)連續轉動相同步的脈衝信號、並將該脈衝信號發送至光譜儀(2)，光譜儀(2)在同步脈衝信號的驅動下採集和測量被測光源(I)的光信號。
4.如權利要求3所述的一種空間光譜輻射測量方法，其特徵在於，所述的同步脈衝信號僅控制光譜儀(2)的開啟，光譜儀(2)到達預設的積分時間後自動關閉；或者所述的同步脈衝信號控制光譜儀(2)的開啟和關閉，光譜儀的積分時間為開啟和關閉之間的脈衝間隔。
5.如權利要求I或2或3所述的一種空間光譜輻射測量方法，其特徵在於，測量時，在被測光源(I)的光強或顏色變化較快的角度範圍內，減小光譜儀(2)的積分時間；在被測光源(I)的光強或顏色變化較慢的角度範圍內，增大光譜儀(2)的積分時間。
6.如權利要求I或2或3所述的一種空間光譜輻射測量方法，其特徵在於，測量時，光譜儀(2)繞被測光源(I)作加速度大小變化的非勻速相對轉動，在被測光源(I)的光強或顏色變化較快的角度範圍內，減小光譜儀(2)的相對轉動加速度；在被測光源(I)的光強或顏色變化較慢的角度範圍內，增大光譜儀(2)的相對轉動加速度。
7.如權利要求5所述的一種空間光譜輻射測量方法，在測量過程中，可通過改變同步脈衝信號的脈衝間隔來改變光譜儀的採集數據量。
8.如權利要求I或2或3或4所述的一種空間光譜輻射測量方法，在測量過程中，至少應根據光譜儀(2)前一次的測試結果來預設光譜儀(2)本次的積分時間。
9.如權利要求I或2或3所述的一種空間光譜輻射測量方法，其特徵在於，光譜儀(2) 的採樣測量值記為該積分時間內的採樣起始點或中間點或結束點所對應空間角度的結果。
10.如權利要求I所述的一種空間光譜輻射測量方法，其特徵在於，測量時，被測光源 (I)保持不動，光譜儀(2)繞被測光源(I)連續轉動；或者光譜儀(2)保持不動，被測光源(I)繞光譜儀⑵連續轉動；或者光譜儀(2)和被測光源⑴以不同的速率同時連續轉動。
全文摘要
本發明公開了一種空間光譜輻射測量方法，包括被測光源，光譜儀和旋轉臺，測量時，旋轉臺帶動光譜儀繞被測光源作相對連續轉動，同時光譜儀同步地採集和測量被測光源的光信號。本空間光譜輻射測量方法，利用相對連續旋轉和同步採樣測量的方法替代了傳統「間隔轉停」的測量方法，同時根據被測光源光強或顏色的變化情況來調節光譜儀的採集數據量，既提高了測試速度，也保證了測量準確度，具有機械穩定度高、測量時間短、準確度高、可靠性和穩定性好等特點。
文檔編號G01J3/46GK102589697SQ20121005981
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月9日 優先權日2012年3月9日
發明者潘建根 申請人:杭州遠方光電信息股份有限公司