[发明专利]一种快速光谱仪及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种快速光谱仪及其测量方法。

背景技术

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V(λ)函数的加权积分即为待测光源的光度量，V(λ)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V(λ)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。

发明内容

本发明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。

本发明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V(λ)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，本发明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。

本发明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。