一種手持式光源顏色照度測(cè)量?jī)x的光譜超分辨方法
【專利摘要】一種手持式光源顏色照度測(cè)量?jī)x的光譜超分辨方法，涉及顏色照度測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，包括以下步驟：1）測(cè)量并計(jì)算手持式分光光源顏色照度測(cè)量?jī)x的分光光路點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；2）對(duì)光譜儀器測(cè)量得到的信號(hào)進(jìn)行超分辨率運(yùn)算。本發(fā)明具有以下有益效果：1.單色光源下，改善了本儀器的采樣結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量結(jié)果間的線性關(guān)系。并且，在不同形狀的光譜條件下，可以很好的改善儀器的響應(yīng)函數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響；2.提高了儀器的光譜分辨率，有效減小了由于光譜分辨率不同導(dǎo)致的測(cè)量誤差。
【專利說(shuō)明】一種手持式光源顏色照度測(cè)量?jī)x的光譜超分辨方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及顏色照度測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及為一種手持式光源顏色照度測(cè)量?jī)x 的光譜超分辨方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 通常，對(duì)光源的輻射強(qiáng)度和顏色屬性的測(cè)量有光電積分式和分光光譜式兩種。
[0003] 光電積分式測(cè)量是采用濾光片匹配儀器相對(duì)光譜響應(yīng)的方法。在濾色片的設(shè)計(jì) 中，濾色片的相對(duì)光譜透過(guò)率應(yīng)滿足式1要求： Ll(AMa) = S(A) 1丄_1)=觸 式1 κ:?:_:1) =聊 式中，:?.)、賴I IlJ為ciei931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者響應(yīng)曲線，如圖1所示； * * < *； \ / 分別為濾色片的相對(duì)光譜透過(guò)率;Yp,i為探測(cè)器的光譜靈敏度; LL ". H '< - λ % 仄:為相對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)。
[0004] 采用有色玻璃濾色片來(lái)修正儀器光譜靈敏度的方法，性能不穩(wěn)定、示值誤差較大。 由于工藝和設(shè)計(jì)的難度，這種方法很難獲得很高的匹配精度。測(cè)量光譜功率分布連續(xù)而且 比較平滑的光源時(shí)，測(cè)量誤差相對(duì)較小。但是對(duì)于LED這種光譜分布不連續(xù)，譜線變化又比 較劇烈的光源，測(cè)量誤差會(huì)比較大。
[0005] 近年來(lái)出現(xiàn)了分光原理的光源顏色照度測(cè)量?jī)x器，此類儀器采用光柵作為分光器 件，測(cè)量被測(cè)光源的光譜分布。這種測(cè)量方法是通過(guò)測(cè)量被測(cè)光源的光譜分布，對(duì)被測(cè)光 源的照度、顏色值進(jìn)行計(jì)算，可以達(dá)到很好的測(cè)量精度，由于是直接測(cè)量被測(cè)光源的光譜分 布，對(duì)不同光譜分布的光源進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差較為均衡。所以，在需要對(duì)光源的光、 色參數(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，多使用分光測(cè)量方法。
[0006] 分光光譜原理的光源顏色照度測(cè)量?jī)x器采用光柵作為分光器件，通過(guò)測(cè)量被測(cè)光 源的光譜分布來(lái)計(jì)算光源的照度、顏色值。
[0007] 目前的分光光譜光源測(cè)量?jī)x器由于體積較大，一般采用臺(tái)式設(shè)計(jì)。臺(tái)式分光光譜 光源測(cè)量?jī)x器采用多像元CXD作為傳感器件，一個(gè)陣列傳感器上的像元數(shù)量可以達(dá)到2048 甚至更高，光譜分辨率一般可達(dá)到Inm甚至更高。但由于傳感器象元面積較小，測(cè)量重復(fù)性 較差。有研究采用背照式CCD作為傳感器件，雖然測(cè)量重復(fù)性有所改善，但器件成本高昂。
[0008] 手持式分光光源顏色照度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)中，為了保證測(cè)量重復(fù)性，一般采用大面 積像元的陣列傳感器作為傳感器件，但是這種傳感器件的像元數(shù)量較少，一般為256個(gè)像 元。這種情況下雖然保證了測(cè)量重復(fù)性，卻降低了儀器光譜分辨率。以本發(fā)明使用的陣列 傳感器為例，本發(fā)明采用256象元的CMOS傳感器，單個(gè)象元尺寸為12. 5 (H) *1000 (V) um，雖 然保證了測(cè)量重復(fù)性指標(biāo)，但光譜分辨率為IOnm左右。
[0009] 光譜分辨率過(guò)低會(huì)在測(cè)量時(shí)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果譜線產(chǎn)生一定的畸變。
[0010] 采用陣列傳感器做為傳感器件的理想情況下，傳感器件上每個(gè)象元對(duì)應(yīng)著一個(gè)光 譜波長(zhǎng)。但是實(shí)際情況下，分光光路都存在著一定的帶寬。波長(zhǎng)為^的單色光入射至分光光 路后，其能量會(huì)以一定的比例分布在第i個(gè)象元附近。同理，當(dāng)對(duì)非單色光進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每 個(gè)象元采集所得信號(hào)是由一定光譜范圍的光信號(hào)所產(chǎn)生的，陣列傳感器的單個(gè)像元采樣信 號(hào)可以用式2表示： 其中4為傳感器第i個(gè)象元的信號(hào)強(qiáng)度；4傳感器第i個(gè)象元所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)； 、…、< 為對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)；M為一定的光譜間隔。
[0011] 若在定標(biāo)時(shí)使用^作為光譜波長(zhǎng)4的能量強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致在測(cè)量形狀不同的光譜曲 線時(shí)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生畸變。在儀器光譜分辨率較高時(shí)或測(cè)量光譜形狀比較平緩的譜線時(shí)，這 種畸變不太明顯。但是在儀器光譜分辨率較低時(shí)，測(cè)量類似LED這種形狀變化較為劇烈的 光譜時(shí)，測(cè)量譜線畸變會(huì)比較嚴(yán)重，對(duì)光源色參數(shù)的測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。
[0012] 光譜測(cè)量?jī)x器對(duì)所測(cè)試信號(hào)的帶寬響應(yīng)可以用儀器響應(yīng)函數(shù)來(lái)表示，也叫做點(diǎn)擴(kuò) 散函數(shù)。
[0013] 若儀器的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為如圖2所示的三角形，其關(guān)于中心波長(zhǎng)\對(duì)稱。函數(shù)解析式 如式3所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種手持式光源顏色照度測(cè)量?jī)x的光譜超分辨方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 測(cè)量并計(jì)算手持式分光光源顏色照度測(cè)量?jī)x的分光光路點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)； 2) 對(duì)光譜儀器測(cè)量得到的信號(hào)進(jìn)行超分辨率運(yùn)算； 2a)將儀器實(shí)際測(cè)得信號(hào)寫成卷積的形式=i'U) ，其中丨⑵為儀器實(shí)際 測(cè)得信號(hào)，ι-α)為入射光的實(shí)際光譜功率分布，為儀器點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)； 2b)構(gòu)造一個(gè)非因果濾波器#印，使得1-取)=V⑶5(幻；其中，x 為入射光 的實(shí)際光譜功率分布?I的導(dǎo)數(shù)形式； 2c)使誤差信號(hào)與任一進(jìn)入估計(jì)的輸入信號(hào)正交，均方誤差最小，濾波器表達(dá)式為··r(iv) =n￡0^，其中，分別為儀器實(shí)際測(cè)得信號(hào)丨⑶和儀器點(diǎn)擴(kuò) 散函數(shù)?1(幻的離散空間傅里葉變換,flu為實(shí)測(cè)信號(hào)的信噪比，Τ+U.i為入射光的實(shí)際光譜 功率分布,Yui的離散空間傅里葉變換； 2d)使傳感器件為大面積的陣列傳感器，儀器測(cè)量的信噪比>1000,對(duì)濾波器表達(dá) . 式進(jìn)行近似計(jì)算，得到：λ= -- ; 2e)對(duì)Γ'(：4進(jìn)行傅里葉逆變換，即可得到入射光的實(shí)際光譜功率分布: ,yU) = ,綠:))=其中，:、.·⑵為入射光的光譜功率分布 '^iV ··-f ^ 'Ui -V-* -A ImmHbl j i 際測(cè)得信號(hào),MD為儀器點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，F(xiàn)(i.y)、|fG.,)分別為儀器實(shí)際測(cè)得信號(hào):和儀器點(diǎn) 擴(kuò)散函數(shù)￥乃的離散空間傅里葉變換。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種手持式光源顏色照度測(cè)量?jī)x的光譜超分辨方法，其特征在 于，所述步驟1)包括以下步驟： la) 用一組波長(zhǎng)2為等納米間隔的單色光對(duì)手持式分光顏色照度測(cè)量?jī)x器的分光部分 進(jìn)行測(cè)量，得到一組單色光入射波長(zhǎng)為的傳感器第η個(gè)像元采樣值ΤΛ(η),構(gòu)成矩陣又； lb) 對(duì)Τ;每行進(jìn)行歸一化，得到歸一化后的f;; lc) 取的行向量，即為儀器對(duì)不同波長(zhǎng)的單色光的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種手持式光源顏色照度測(cè)量?jī)x的光譜超分辨方法，其特征在 于，還包括步驟3):構(gòu)造定標(biāo)裝置對(duì)手持式光源顏色照度測(cè)量?jī)x進(jìn)行定標(biāo)； 3a)構(gòu)造定標(biāo)裝置： 所述定標(biāo)裝置包括電流源（1)、定標(biāo)光源（2)、積分球（3)和擋板（4);所述電流源（1)連 接定標(biāo)光源（2 )，所述定標(biāo)光源（2 )固定在積分球（3 )內(nèi)壁上，所述電流源（1)控制定標(biāo)光源 (2)的發(fā)光強(qiáng)度，所述積分球（3)內(nèi)壁涂覆白色漫反射材料，所述積分球（3)上開(kāi)設(shè)有相互 對(duì)稱的兩個(gè)出光孔（6)，一個(gè)出光孔（6)對(duì)準(zhǔn)高分辨率標(biāo)準(zhǔn)儀器（5)，另一個(gè)出光孔（6)對(duì)準(zhǔn) 手持式分光光源顏色照度測(cè)量?jī)x，兩個(gè)出光孔（6)和定標(biāo)光源（2)之間用擋板（4)隔開(kāi)，避 免定標(biāo)光源（2)發(fā)出的光直接從出光孔（6)出射，擋板（4)上也涂覆和積分球（3)內(nèi)壁同樣 的材料，此處，手持式分光光源顏色照度測(cè)量?jī)x為被定標(biāo)儀器； 3b)通過(guò)控制電流源（1)，使定標(biāo)光源（2)發(fā)出不同強(qiáng)度的光，待定標(biāo)光源（2)發(fā)光穩(wěn) 定后，使用手持式分光光源顏色照度測(cè)量?jī)x和高光譜分辨率標(biāo)準(zhǔn)儀器分別在不同強(qiáng)度的光 下對(duì)定標(biāo)光源（2)進(jìn)行測(cè)量，被定標(biāo)儀器測(cè)量結(jié)果為St，高光譜分辨率標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果為 Sstd; 3c)對(duì)St中每一行，對(duì)其采樣值矩陣T;每行進(jìn)行歸一化選擇[中該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的第一 行作為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，應(yīng)用公式=Z(Vii)JiU)) = ·)進(jìn)行解卷積運(yùn)算，得到 * .--*.Wt.. 經(jīng)過(guò)解卷積運(yùn)算后的傳感器的像元采樣數(shù)據(jù)si,選擇本單色光對(duì)應(yīng)的該行數(shù)據(jù)中采樣值最 大像元的采樣數(shù)據(jù)作為該波長(zhǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)StlQ); 3d)將相同波長(zhǎng)下高分辨率標(biāo)準(zhǔn)儀器（5)的測(cè)量結(jié)果Sstdl(i)與被定標(biāo)儀器的測(cè)試數(shù) 據(jù)StlU)進(jìn)行反卷積，再進(jìn)行線性擬合Sstdl (2 )=kSstdl(i)+d，其中，k、d均為為定 標(biāo)系數(shù)； 3e)對(duì)其余波長(zhǎng)進(jìn)行相同運(yùn)算并獲得對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的定標(biāo)系數(shù)，定標(biāo)過(guò)程結(jié)束。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK104236710SQ201410512125
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】袁琨, 吳逸萍 申請(qǐng)人:杭州彩譜科技有限公司, 中國(guó)計(jì)量學(xué)院