專利名稱：一種快速光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種快速光 譜儀。
背景技術(shù)：
快速光譜儀與傳統(tǒng)掃描式光譜儀相比，具有測(cè)量速度快的優(yōu) 點(diǎn)，完成一次測(cè)量最快只需幾個(gè)毫秒?？焖俟庾V儀采用了陣列型探測(cè)器如電荷耦合器件(CCD)或光電二極管陣列(PDA)作為其 光電傳感器件，陣列型探測(cè)器上的眾多象素能將分光元件分出的 某段波長范圍內(nèi)的單色光一次性全部感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào) 大小與照射在該象素上的單色光光強(qiáng)大小成正比?？焖俟庾V儀經(jīng) 過已知光譜功率分布的標(biāo)準(zhǔn)光源校準(zhǔn)后，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)光源的光譜 功率分布的快速測(cè)量。待測(cè)光源的光譜功率分布的積分即為其在該段波長范圍內(nèi)的輻射度量，與va)函數(shù)的加權(quán)積分即為待測(cè)光源的光度量，va)函數(shù)為CIE (國際照明委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)光譜光效率函數(shù)，從而可通 過快速光譜儀實(shí)現(xiàn)待測(cè)光源的輻射度量或光度量的快速測(cè)量，這 種使用光譜儀測(cè)量待測(cè)光源的測(cè)量光譜功率分布從而計(jì)算其輻射 度量或光度量的方法稱為分光法。該方法的缺點(diǎn)在于由于快速 光譜儀所使用的光電傳感器件CCD或PDA的動(dòng)態(tài)范圍較窄，其響 應(yīng)存在非線性的問題，即實(shí)際象素的響應(yīng)信號(hào)大小不與其上的光 強(qiáng)大小成嚴(yán)格正比關(guān)系，并且器件的積分時(shí)間也會(huì)引起非線性問 題，這些問題將造成較大的測(cè)量誤差，所以一般的快速光譜儀線 性動(dòng)態(tài)范圍都較窄。另一種輻射度量或光度量的測(cè)量方法是積分法，它不使用光 譜儀測(cè)量待測(cè)光源的光譜功率分布，而使用探頭直接測(cè)量待測(cè)光
源的輻射度量或光度量探頭的光電傳感器件所產(chǎn)生的電信號(hào)大 小與待測(cè)光源的輻射度量或光度量大小成正比，探頭經(jīng)過已知輻 射度量或光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源校準(zhǔn)后，可測(cè)量待測(cè)光源的輻射度量 或光度量。由于硅光電池具有大跨度動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)極好的線性(好 的硅光電池在7個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)線性<0.2%),因此使用光電傳感器件為硅光電池的探頭進(jìn)行積分法測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)大跨度動(dòng)態(tài)范 圍的線性測(cè)量。積分法的缺點(diǎn)在于精確的積分法測(cè)量需要在探 頭的光電傳感器件前安置合適的濾色片，以使得探頭的相對(duì)光譜靈敏度與va)曲線精確匹配(測(cè)光度量時(shí))，或者探頭的相對(duì)光譜靈敏度精確匹配為平坦直線(測(cè)輻射度量時(shí))，這對(duì)探頭制造工 藝要求很高，實(shí)現(xiàn)難度較大，實(shí)施成本較高。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述問題，提供一種具有大跨度線 性動(dòng)態(tài)范圍的快速光譜儀。解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的快速光譜儀 的線性范圍窄的技術(shù)問題。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了下列技術(shù)方案 一種快 速光譜儀，包括一個(gè)用于測(cè)量待測(cè)光源光譜功率分布的快速光譜 解析系統(tǒng)，在快速光譜解析系統(tǒng)上連接有用于采集光信號(hào)并將其 傳送至快速光譜解析系統(tǒng)的光信號(hào)采集裝置，所述的快速光譜解 析系統(tǒng)與微控制器電連接，其特征在于，它還包括一個(gè)用于測(cè)量 待測(cè)光源光度量或輻射度量的參考探頭，該參考探頭通過一個(gè)可 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與上述的微控制器電 連接。在上述的快速光譜儀中，所述的微控制器與電腦電連接，并 可與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；所述電腦將參考探頭的測(cè)量值結(jié)合快速光 譜解析系統(tǒng)測(cè)得的待測(cè)光源光譜功率分布進(jìn)行測(cè)量值校正。本實(shí)用新型創(chuàng)造性地結(jié)合了分光法和積分法各自的優(yōu)點(diǎn)，利 用參考探頭實(shí)現(xiàn)大跨度動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)光度量或輻射度量的線性測(cè)
量，并且利用分光法的測(cè)量結(jié)果，將探頭的測(cè)量結(jié)果校正為精確 值。在電腦中存儲(chǔ)有各種已知的標(biāo)準(zhǔn)值，以便于在校正時(shí)調(diào)用， 對(duì)測(cè)量值進(jìn)行校正。在上述的快速光譜儀中，所述的參考探頭的光電傳感器件為硅光電池；所述的快速光譜解析系統(tǒng)的光電傳感器件為電荷耦合 器件或光電二極管陣列。在上述的快速光譜儀中，所述的光信號(hào)采集裝置為一個(gè)光束 收集器或者一根光纖，所述的光束收集器包括一根安裝管，其一 端通過連接器與快速光譜解析系統(tǒng)的連接裝置相連，另一端裝有 余弦修正器，在安裝管內(nèi)設(shè)有用于匯聚光線的凸透鏡。在上述的快速光譜儀中，所述的微控制器通過數(shù)據(jù)通訊接口 與電腦相連，且數(shù)據(jù)通訊接口為USB數(shù)據(jù)通訊口，紅外線數(shù)據(jù)通 訊口或藍(lán)牙數(shù)據(jù)通訊口中的任意一種。在上述的快速光譜儀中，所述的參考探頭的相對(duì)光譜靈敏度 在快速光譜解析系統(tǒng)所能測(cè)量的光譜范圍以外的響應(yīng)為零；參考 探頭和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路之間通過導(dǎo)線連接，且該導(dǎo)線為屏蔽線。在上述的快速光譜儀中，其光譜測(cè)量范圍為380nm 780nm。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于，充分發(fā)揮了兩 種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)l.測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大，線性好。2.測(cè)量的結(jié)果精確；即在不要求探頭的相對(duì)光譜靈敏度與va)曲線精確匹配的條件下，可實(shí)現(xiàn)大跨度線性范圍內(nèi)光度量的精確測(cè)量，或者在 不要求探頭相對(duì)光譜靈敏度為平坦直線的條件下，可實(shí)現(xiàn)大跨度 線性范圍內(nèi)輻射度量的精確測(cè)量。

圖1是本實(shí)用新型提供的一種結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型提供的一種快速光譜解析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型提供的一種光信號(hào)釆集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型提供的一種信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本實(shí)用新型提供的一種參考探頭的相對(duì)光譜靈敏度曲線，va)曲線，以及標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源的相對(duì)光譜功率分布曲 線的示意圖。圖中，1、快速光譜解析系統(tǒng)；la、連接裝置；11、狹縫；12、 準(zhǔn)直鏡；13、光柵；14、聚焦鏡；15、 CCD感光系統(tǒng)；2、光信號(hào) 采集裝置；2a、光束收集器；2b、連接器；2c、余弦修正器；2d、 凸透鏡；2e、安裝管；3、微控制器；4、參考探頭；5、信號(hào)轉(zhuǎn)換 電路；5a、放大器；5b 、 A/D轉(zhuǎn)換器；5C 、電阻；6、電腦；V (入)、CIE標(biāo)準(zhǔn)光譜光效率函數(shù)；s00rel、參考探頭4的相對(duì)光譜靈敏 度；P(入)s、用以校準(zhǔn)參考探頭4的標(biāo)準(zhǔn)光源的相對(duì)光譜功率分 布；P(X)t、待測(cè)光源的相對(duì)光譜功率分布。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例如圖1所示，本快速光譜儀，包括一個(gè)用于測(cè)量待測(cè)光源光 譜功率分布的快速光譜解析系統(tǒng)1，在快速光譜解析系統(tǒng)1上連 接有用于采集光信號(hào)并將其傳送至快速光譜解析系統(tǒng)1的光信號(hào)采集裝置2，快速光譜解析系統(tǒng)1與微控制器3電連接。它還包 括一個(gè)用于測(cè)量待測(cè)光源光度量的參考探頭4，該參考探頭4通 過一個(gè)用于將參考探頭4的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn) 換電路5與上述的微控制器3電連接。微控制器3與電腦6電連 接，并可與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。電腦6可將參考探頭4所測(cè)得的待 測(cè)光源光度量結(jié)合快速光譜解析系統(tǒng)1測(cè)得的待測(cè)光源光譜功率 分布，采用一種光譜解析校正方法將參考探頭4的測(cè)量結(jié)果校正 為精確值。其中，參考探頭4的光電傳感器件為硅光電池；快速 光譜解析系統(tǒng)1的光電傳感器件為電荷耦合器件或光電二極管陣 列。微控制器3通過數(shù)據(jù)通訊接口與電腦6相連，且數(shù)據(jù)通訊接
口為USB數(shù)據(jù)通訊口。參考探頭4和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5之間通過導(dǎo)線連接，且為了防止干擾，該導(dǎo)線為屏蔽線。如圖2所示，快速光譜解析系統(tǒng)l通過連接裝置la與光信號(hào) 采集裝置2機(jī)械連接?？焖俟庾V解析系統(tǒng)1可采用傳統(tǒng)的非對(duì)稱 CT式光路結(jié)構(gòu)，入射光線經(jīng)過狹縫11后由準(zhǔn)直鏡12變?yōu)槠叫泄?線，光柵13將其分成不同方向反射的單色光，這些不同方向反射 的單色光經(jīng)過聚焦鏡14聚焦，成像在CCD感光系統(tǒng)15中的CCD 的象素上，不同位置的光對(duì)應(yīng)不同波長的單色光，從而實(shí)現(xiàn)了分 光。CCD的象素將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了待測(cè)光源光 譜功率分布的快速測(cè)量。機(jī)箱上裝有用以與光信號(hào)采集裝置2連 接用的連接裝置la。如圖3所示，光信號(hào)采集裝置2為一個(gè)光束收集器2a，其一 端通過連接器2b與快速光譜解析系統(tǒng)1的連接裝置la相連，在 另一端有一余弦修正器2c安裝在安裝管2e上，在安裝管2e內(nèi)部 中間位置安裝有凸透鏡2d，用以匯聚通過余弦修正器2c的光線， 并將其傳送至快速光譜解析系統(tǒng)1。如圖4所示，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5包括放大器5a、電阻5c和A/D 轉(zhuǎn)換器5b，參考探頭4的兩端分別與放大器5a的兩個(gè)輸入端連 接，電阻5c—端接在放大器5a的一個(gè)輸入端，另一端接在放大 器5a的輸出端，A/D轉(zhuǎn)換器5b的輸入端與放大器5a的輸出端相 連，輸出端則與中央控制器3相連。本快速光譜儀的光譜測(cè)量范圍為380nm 780nm，專門用以測(cè) 量待測(cè)光源的光度量。本快速光譜儀的測(cè)量方法包括下述內(nèi)容a.微控制器控制快 速光譜解析系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)光源的光譜功率分布，并將其輸入至電 腦；b.微控制器控制參考探頭測(cè)量待測(cè)光源的光度量，并將其輸 入至電腦；c.電腦將參考探頭所測(cè)得的待測(cè)光源光度量結(jié)合快速 光譜解析系統(tǒng)測(cè)得的待測(cè)光源光譜功率分布，采用一種光譜解析
校正方法將探頭的測(cè)量結(jié)果校正為精確值。上述的一種光譜解析校正方法包括下述內(nèi)容參考探頭測(cè)量 待測(cè)光源的光度量，快速光譜解析系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)光源的光譜功率 分布，按以下公式計(jì)算光譜解析校正系數(shù)Kl :780 780Kl = ^--，然后將參考探頭所測(cè)得的光度量乘380 3抑以Kl，即可得到待測(cè)光源的精確光度量；式中FU)為已知CIE 標(biāo)準(zhǔn)光譜光效率函數(shù)，sU)w為參考探頭的已知相對(duì)光譜靈敏度，尸U)s為用于校準(zhǔn)參考探頭的標(biāo)準(zhǔn)光源的已知相對(duì)光譜功率分布，尸U)t為快速光譜解析系統(tǒng)所測(cè)得的待測(cè)光源的相對(duì)光譜功率分 布。工作時(shí)，被測(cè)光經(jīng)光信號(hào)采集裝置2導(dǎo)入快速光譜解析系統(tǒng) 1，快速光譜解析系統(tǒng)1測(cè)出被測(cè)光的光譜功率分布，通過電線將 數(shù)據(jù)傳送給微控制器3。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5將參考探頭4的模擬電 信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過電線將數(shù)字信號(hào)傳送給微控制器3。 微控制器3控制整個(gè)快速光譜儀的工作接受電腦6的命令和向電 腦6輸出數(shù)據(jù)。電腦6將開始測(cè)試命令發(fā)給微控制器3后，微控 制器3控制快速光譜解析系統(tǒng)1測(cè)出待測(cè)光源的光譜功率分布， 并控制參考探頭4測(cè)出待測(cè)光源的光度量，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果 傳送給電腦6。電腦6根據(jù)這些測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果，采用上述的光譜 解析校正方法進(jìn)行測(cè)量值校正，并給出最后測(cè)量結(jié)果。如圖5所示，VO0為CIE標(biāo)準(zhǔn)光譜光效率函數(shù)，s00rel為所用的參考探頭4的相對(duì)光譜靈敏度，pa)s為用以校準(zhǔn)參考探頭4的標(biāo)準(zhǔn)光源的相對(duì)光譜功率分布，P(人)t為待測(cè)光源的相對(duì) 光譜功率分布。參考探頭4的s( Orel在380 780nm范圍內(nèi)的 值已通過其他儀器精確測(cè)得，并且在此范圍外為零，它與va) 存在明顯的失配，標(biāo)準(zhǔn)光源為色溫2856K的鹵鎢燈，待測(cè)光源為9
紅光LED。在測(cè)量待測(cè)光源的輻射度量時(shí)，與上述過程類似，本文不做 贅述。本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本實(shí)用新型精神作舉例 說明。本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體 實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不 會(huì)偏離本實(shí)用新型的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。盡管本文較多地使用了 1、快速光譜解析系統(tǒng)；la、連接裝 置；11、狹縫；12、準(zhǔn)直鏡；13、光柵；14、聚焦鏡；15、 CCD 感光系統(tǒng)；2、光信號(hào)采集裝置；2a、光束收集器；2b、連接器；2C、余弦修正器；2d、凸透鏡；2e、安裝管；3、微控制器；4、參考探頭；5、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；5a、放大器；5b 、 A/D轉(zhuǎn)換器； 5c、電阻；6、電腦；VOi)、 CIE標(biāo)準(zhǔn)光譜光效率函數(shù)；s(入)rel、 參考探頭4的相對(duì)光譜靈敏度；P(入)s、用以校準(zhǔn)參考探頭4的 標(biāo)準(zhǔn)光源的相對(duì)光譜功率分布；PCOt、待測(cè)光源的相對(duì)光譜功 率分布等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù) 語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實(shí)用新型的本質(zhì)；把它們解 釋成任何一種附加的限制都是與本實(shí)用新型精神相違背的。
權(quán)利要求1.一種快速光譜儀，包括一個(gè)用于測(cè)量待測(cè)光源光譜功率分布的快速光譜解析系統(tǒng)(1)，在快速光譜解析系統(tǒng)(1)上連接有用于采集光信號(hào)并將其傳送至快速光譜解析系統(tǒng)(1)的光信號(hào)采集裝置(2)，所述的快速光譜解析系統(tǒng)(1)與微控制器(3)電連接，其特征在于，它還包括一個(gè)用于測(cè)量待測(cè)光源光度量或輻射度量的參考探頭(4)，該參考探頭(4)通過一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(5)與上述的微控制器(3)電連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速光譜儀，其特征在于，所述的 微控制器(3)與電腦(6)電連接，并可與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；所 述電腦(6)將參考探頭(4)的測(cè)量值結(jié)合快速光譜解析系統(tǒng)(1) 測(cè)得的待測(cè)光源光譜功率分布進(jìn)行測(cè)量值校正。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的快速光譜儀，其特征在于，所述的 參考探頭(4)的光電傳感器件為硅光電池；所述的快速光譜解析 系統(tǒng)(1)的光電傳感器件為電荷耦合器件或光電二極管陣列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速光譜儀，其特征在于，所述的 光信號(hào)采集裝置(2)為一個(gè)光束收集器(2a)或者一根光纖，所 述的光束收集器(2a)包括一根安裝管(2e)，其一端通過連接器(2b)與快速光譜解析系統(tǒng)(1)的連接裝置(la)相連，另一端 裝有余弦修正器(2c)，在安裝管(2e)內(nèi)設(shè)有用于匯聚光線的凸 透鏡(2d)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速光譜儀，其特征在于，所述的 微控制器(3)通過數(shù)據(jù)通訊接口與電腦(6)相連，且數(shù)據(jù)通訊 接口為USB數(shù)據(jù)通訊口，紅外線數(shù)據(jù)通訊口或藍(lán)牙數(shù)據(jù)通訊口中的任意一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中任意一項(xiàng)所述的快速光譜儀，其特征 在于，所述的參考探頭(4)的相對(duì)光譜靈敏度在快速光譜解析系 統(tǒng)所能測(cè)量的光譜范圍以外的響應(yīng)為零；參考探頭(4)和信號(hào)轉(zhuǎn) 換電路(5)之間通過導(dǎo)線連接，且該導(dǎo)線為屏蔽線。
7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的快速光譜儀，其特征在于，其光譜 領(lǐng)!l量范圍為380nm 780nm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種快速光譜儀，包括一個(gè)用于測(cè)量待測(cè)光源光譜功率分布的快速光譜解析系統(tǒng)，在快速光譜解析系統(tǒng)上連接有用于采集光信號(hào)并將其傳送至快速光譜解析系統(tǒng)的光信號(hào)采集裝置，所述的快速光譜解析系統(tǒng)與微控制器電連接，其特征在于，它還包括一個(gè)用于測(cè)量待測(cè)光源光度量或輻射度量的參考探頭，該參考探頭通過一個(gè)可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與上述的微控制器電連接。本實(shí)用新型利用參考探頭實(shí)現(xiàn)大跨度動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)光度量或輻射度量的線性測(cè)量，并且利用分光法的測(cè)量結(jié)果，將探頭的測(cè)量結(jié)果校正為精確值。在電腦中存儲(chǔ)有各種已知的標(biāo)準(zhǔn)值，以便于在校正時(shí)調(diào)用，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行校正，因此，能夠有效地提高測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01J3/28GK201034729SQ200720108258
公開日2008年3月12日 申請(qǐng)日期2007年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月17日
發(fā)明者丁鵬飛, 沈海平, 潘建根 申請(qǐng)人:杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司