一种快速光谱仪及其测量方法技术

本发明专利技术涉及一种快速光谱仪及其测量方法，包括一个用于测量待测光源光谱功率分布的快速光谱解析系统，在快速光谱解析系统上连接有用于采集光信号并将其传送至快速光谱解析系统的光信号采集装置，所述的快速光谱解析系统与微控制器电连接，其特征在于，它还包括一个用于测量待测光源光度量或辐射度量的参考探头，该参考探头通过一个可将模拟信号转换为数字信号的信号转换电路与上述的微控制器电连接。本发明专利技术利用参考探头实现大跨度动态范围内光度量或辐射度量的线性测量，并且利用分光法的测量结果，将探头的测量结果校正为精确值。在电脑中存储有各种已知的标准值，以便于在校正时调用，对测量值进行校正，因此，能够有效地提高测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学测量
，尤其是涉及一种快速光谱仪 及其测量方法。
技术介绍
快速光谱仪与传统扫描式光谱仪相比，具有测量速度快的优 点，完成一次测量最快只需几个毫秒。快速光谱仪采用了阵列型探测器如电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列(PDA)作为其 光电传感器件，阵列型探测器上的众多象素能将分光元件分出的 某段波长范围内的单色光一次性全部感应并转化为电信号，信号 大小与照射在该象素上的单色光光强大小成正比。快速光谱仪经 过已知光谱功率分布的标准光源校准后，可实现待测光源的光谱 功率分布的快速测量。待测光源的光谱功率分布的积分即为其在该段波长范围内的辐射度量，与va)函数的加权积分即为待测光源的光度量，va)函数为CIE (国际照明委员会)标准光谱光效率函数，从而可通 过快速光谱仪实现待测光源的辐射度量或光度量的快速测量，这 种使用光谱仪测量待测光源的测量光谱功率分布从而计算其辐射 度量或光度量的方法称为分光法。该方法的缺点在于由于快速 光谱仪所使用的光电传感器件CCD或PDA的动态范围较窄，其响 应存在非线性的问题，即实际象素的响应信号大小不与其上的光 强大小成严格正比关系，并且器件的积分时间也会引起非线性问 题，这些问题将造成较大的测量误差，所以一般的快速光谱仪线 性动态范围都较窄。另一种辐射度量或光度量的测量方法是积分法，它不使用光谱仪测量待测光源的光谱功率分布，而使用探头直接测量待测光 源的辐射度量或光度量探头的光电传感器件所产生的电信号大 小与待测光源的辐射度量或光度量大小成正比，探头经过已知辐 射度量或光度量的标准光源校准后，可测量待测光源的辐射度量 或光度量。由于硅光电池具有大跨度动态范围内极好的线性(好 的硅光电池在7个数量级范围内线性<0.2%)，因此使用光电传感器件为硅光电池的探头进行积分法测量，可以实现大跨度动态范围的线性测量。积分法的缺点在于精确的积分法测量需要在探 头的光电传感器件前安置合适的滤色片，以使得探头的相对光谱灵敏度与va)曲线精确匹配(测光度量时)，或者探头的相对光谱灵敏度精确匹配为平坦直线(测辐射度量时)，这对探头制造工 艺要求很高，实现难度较大，实施成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种具有大跨度线性动 态范围的快速光谱仪。解决现有技术中所存在的快速光谱仪的线 性范围窄的技术问题。本专利技术的另一目的是针对上述问题，提供一种能够对测量结 果进行精确校正，有效提高测量精度的快速光谱仪的测量方法， 并且降低对探头光谱匹配的要求，即在测光度量时，其相对光谱灵敏度不要求精确匹配为va)曲线，在测辐射度量时，其相对光 谱灵敏度不要求精确匹配为平坦直线。解决现有技术中所存在的 探头无法同时满足高精度和相对光谱灵敏度低匹配要求的技术问 题。为达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案 一种快速光 谱仪，包括一个用于测量待测光源光谱功率分布的快速光谱解析 系统，在快速光谱解析系统上连接有用于采集光信号并将其传送 至快速光谱解析系统的光信号采集装置，所述的快速光谱解析系统与微控制器电连接，其特征在于，它还包括一个用于测量待测 光源光度量或辐射度量的参考探头，该参考探头通过一个可将模 拟信号转换为数字信号的信号转换电路与上述的微控制器电连 接。在上述的快速光谱仪中，所述的微控制器与电脑电连接，并可与其进行数据交换；所述电脑将参考探头的测量值结合快速光 谱解析系统测得的待测光源光谱功率分布进行测量值校正。本专利技术创造性地结合了分光法和积分法各自的优点，利用参 考探头实现大跨度动态范围内光度量或辐射度量的线性测量，并 且利用分光法的测量结果，将探头的测量结果校正为精确值。在 电脑中存储有各种已知的标准值，以便于在校正时调用，对测量 值进行校正。在上述的快速光谱仪中，所述的参考探头的光电传感器件为 硅光电池；所述的快速光谱解析系统的光电传感器件为电荷耦合 器件或光电二极管阵列。在上述的快速光谱仪中，所述的光信号采集装置为一个光束 收集器或者一根光纤，所述的光束收集器包括一根安装管，其一 端通过连接器与快速光谱解析系统的连接装置相连，另一端装有 余弦修正器，在安装管内设有用于汇聚光线的凸透镜。在上述的快速光谱仪中，所述的微控制器通过数据通讯接口 与电脑相连，且数据通讯接口为USB数据通讯口，红外线数据通 讯口或蓝牙数据通讯口中的任意一种。在上述的快速光谱仪中，所述的参考探头的相对光谱灵敏度 在快速光谱解析系统所能测量的光谱范围以外的响应为零；参考 探头和信号转换电路之间通过导线连接，且该导线为屏蔽线。在上述的快速光谱仪中，其光谱测量范围为380nm 780nm。本快速光谱仪通过下述的测量方法实现测量，包括如下内容a.微控制器控制快速光谱解析系统测量得到待测光源的光谱功率 分布，并将其输入至电脑；b. 微控制器控制参考探头测量待测光源光度量或辐射度量，并将其输入至电脑；c. 电脑将参考探头所测得的待测光源光度量或辐射度量结合 快速光谱解析系统测得的待测光源光谱功率分布，通过校正系数 进行校正。在上述的快速光谱仪的测量方法中，测量待测光源的光度量 时，参考探头测量待测光源的光度量，快速光谱解析系统测量待 测光源的光谱功率分布，按以下公式计算光谱解析校正系数K1:780 780Kl-^-^i5-，然后将参考探头所测得的光度量乘380 380以Kl，即可得到待测光源的精确光度量；式中K义)为已知CIE 标准光谱光效率函数，sU)^为参考探头的事先已经精确测得的相对光谱灵敏度，尸(;i)s为用于校准参考探头的标准光源的已知相对光谱功率分布，尸(力t为快速光谱解析系统所测得的待测光源的 相对光谱功率分布。在上述的快速光谱仪的测量方法中，测量待测光源的辐射度 量时，参考探头测量待测光源的辐射度量，快速光谱解析系统测 量待测光源的光谱功率分布，按以下公式计算光谱解析校正系数/12 义2K2: K2 = ir^-^-，参考探头所测得的辐射度量乘以K2，即可得到待测光源的精确辐射度量；式中sU)r"为参考探头的事先已经精确测得的相对光谱灵敏度，尸(;i)s为用于校准 参考探头的标准光源的已知相对光谱功率分布，,(;i)t为快速光谱解析系统所测得的待测光源的相对光谱功率分布，h 入2为所测 辐射度量的波长范围。与现有的技术相比，本专利技术的优点在于，充分发挥了两种测量方式的优点l.测量的动态范围大，线性好。2.测量的结果精确；即在不要求探头的相对光谱灵敏度与va)曲线精确匹配的条件下，可实现大跨度线性范围内光度量的精确测量，或者在不要 求探头相对光谱灵敏度为平坦直线的条件下，可实现大跨度线性 范围内辐射度量的精确测量。附图说明图1是本专利技术提供的一种结构框图。图2是本专利技术提供的一种快速光谱解析系统的结构示意图。 图3是本专利技术提供的一种光信号采集装置的结构示意图。 图4是本专利技术提供的一种信号转换电路的结构示意图。 图5是本专利技术提供的一种参考探头的相对光谱灵敏度曲线，va)曲线，以及标准光源和待测光源的相对光谱功率分布曲线的示意图。图中，1、快速光谱解析系统；la、连接装置；11、狭缝；12、 准直镜；13、光栅；14、聚焦镜；15、 CCD感光系统；2、光信号 采集装置；2a、光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速光谱仪，包括一个用于测量待测光源光谱功率分布的快速光谱解析系统（１），在快速光谱解析系统（１）上连接有用于采集光信号并将其传送至快速光谱解析系统（１）的光信号采集装置（２），所述的快速光谱解析系统（１）与微控制器（３）电连接，其特征在于，它还包括一个用于测量待测光源光度量或辐射度量的参考探头（４），该参考探头（４）通过一个信号转换电路（５）与上述的微控制器（３）电连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘建根，沈海平，丁鹏飞，
申请(专利权)人：杭州远方光电信息股份有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]