[发明专利]一种手持式光源颜色照度测量仪的光谱超分辨方法

说明书

技术领域

本发明涉及颜色照度测量技术领域，具体涉及为一种手持式光源颜色照度测量仪的光谱超分辨方法。

背景技术

通常，对光源的辐射强度和颜色属性的测量有光电积分式和分光光谱式两种。

光电积分式测量是采用滤光片匹配仪器相对光谱响应的方法。在滤色片的设计中，滤色片的相对光谱透过率应满足式1要求：

                                                                                       

                                     式1

                                        

式中， 为CIE1931标准色度观察者响应曲线，如图1所示；、分别为滤色片的相对光谱透过率；为探测器的光谱灵敏度；、为相对应的比例系数。

采用有色玻璃滤色片来修正仪器光谱灵敏度的方法，性能不稳定、示值误差较大。由于工艺和设计的难度，这种方法很难获得很高的匹配精度。测量光谱功率分布连续而且比较平滑的光源时，测量误差相对较小。但是对于LED这种光谱分布不连续，谱线变化又比较剧烈的光源，测量误差会比较大。

近年来出现了分光原理的光源颜色照度测量仪器，此类仪器采用光栅作为分光器件，测量被测光源的光谱分布。这种测量方法是通过测量被测光源的光谱分布，对被测光源的照度、颜色值进行计算，可以达到很好的测量精度，由于是直接测量被测光源的光谱分布，对不同光谱分布的光源进行测量时，测量结果误差较为均衡。所以，在需要对光源的光、色参数进行高精度测量时，多使用分光测量方法。

分光光谱原理的光源颜色照度测量仪器采用光栅作为分光器件，通过测量被测光源的光谱分布来计算光源的照度、颜色值。

目前的分光光谱光源测量仪器由于体积较大，一般采用台式设计。台式分光光谱光源测量仪器采用多像元CCD作为传感器件，一个阵列传感器上的像元数量可以达到2048甚至更高，光谱分辨率一般可达到1nm甚至更高。但由于传感器象元面积较小，测量重复性较差。有研究采用背照式CCD作为传感器件，虽然测量重复性有所改善，但器件成本高昂。

手持式分光光源颜色照度测量仪的设计中，为了保证测量重复性，一般采用大面积像元的阵列传感器作为传感器件，但是这种传感器件的像元数量较少，一般为256个像元。这种情况下虽然保证了测量重复性，却降低了仪器光谱分辨率。以本发明使用的阵列传感器为例，本发明采用256象元的CMOS传感器，单个象元尺寸为12.5(H)*1000(V)um，虽然保证了测量重复性指标，但光谱分辨率为10nm左右。

光谱分辨率过低会在测量时导致测量结果谱线产生一定的畸变。

采用阵列传感器做为传感器件的理想情况下，传感器件上每个象元对应着一个光谱波长。但是实际情况下，分光光路都存在着一定的带宽。波长为的单色光入射至分光光路后，其能量会以一定的比例分布在第i个象元附近。同理，当对非单色光进行测量时，每个象元采集所得信号是由一定光谱范围的光信号所产生的，阵列传感器的单个像元采样信号可以用式2表示：

      式 2

其中，为传感器第i个象元的信号强度；传感器第i个象元所对应的波长；、、…、为对应的比例系数；为一定的光谱间隔。

若在定标时使用作为光谱波长的能量强度，会导致在测量形状不同的光谱曲线时测量结果产生畸变。在仪器光谱分辨率较高时或测量光谱形状比较平缓的谱线时，这种畸变不太明显。但是在仪器光谱分辨率较低时，测量类似LED这种形状变化较为剧烈的光谱时，测量谱线畸变会比较严重，对光源色参数的测量带来较大的误差。

光谱测量仪器对所测试信号的带宽响应可以用仪器响应函数来表示，也叫做点扩散函数。

若仪器的点扩散函数为如图2所示的三角形，其关于中心波长对称。函数解析式如式3所示：

                   式3  

在这种情况下，若被测光源的光谱分布真实值在区间范围上式线性函数时，由式3得，测量值与真实值相等。如果若被测光源的光谱分布真实值在该区间范围内不是线性的，测量值与真实值则不等。若谱线为凹形，经积分值会比真实值大；反之则小。图3分别显示了真实谱线为线性（实线）和非线性（虚线）的情况。