一種適于低照度動(dòng)態(tài)檢測(cè)光譜分析儀的設(shè)計(jì)

鄭 旭，錢樹龍，許 松，戴錦文

(1.淮安市路燈管理處，江蘇 淮安 223001;2.鹽城師范學(xué)院 物理與電子技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224002)

0 引言

近年來隨著道路照明行業(yè)的發(fā)展，路燈光源選擇日趨多樣化，道路照明行業(yè)已不能僅局限于對(duì)路燈光度學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)，也要逐漸重視色度學(xué)指標(biāo)檢測(cè)，光譜分析儀就是色度學(xué)指標(biāo)檢測(cè)的重要工具。目前，市場(chǎng)上所銷售的光譜分析儀主要應(yīng)用于色度計(jì)量、發(fā)射光譜測(cè)量、LED 測(cè)量、紫外/可見吸收光譜測(cè)量、寶石成分檢測(cè)等。道路照明檢測(cè)是在戶外對(duì)光源進(jìn)行檢測(cè)，面臨惡劣的低照度測(cè)量環(huán)境。我們對(duì)市場(chǎng)上所銷售的多款光譜儀進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上所銷售的光譜儀均無法滿足道路照明低照度、快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)的要求。于是我們?cè)趥鹘y(tǒng)光譜傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一款可應(yīng)對(duì)低照度測(cè)量環(huán)境且能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速測(cè)量的光譜分析傳感器。

1 傳統(tǒng)光譜分析儀測(cè)量原理

我們對(duì)傳統(tǒng)的光譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。首先，光線經(jīng)過余弦修正器進(jìn)行入射角度修正，入射光線經(jīng)過狹縫S 后再經(jīng)過平面鏡M1反射并通過準(zhǔn)直鏡M2進(jìn)行光路準(zhǔn)直，M2出射的平行光經(jīng)過反射式閃耀光柵作分光處理，最后，衍射光再通過聚焦鏡M3把一級(jí)衍射條紋傳遞給CCD 傳感器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，如圖1 所示。

其中，光柵的衍射方程為:d(sini +sinβ)=mλ，d 為光柵常數(shù)，i為入射角，β 為衍射角，在討論光柵分辨率問題時(shí)，為簡(jiǎn)單起見，常設(shè)入射光為垂直光柵入射，即入射角i=0，此時(shí)單縫寬度為a的衍射光程差為:asin β，其相位差，間距為d的

圖1 傳統(tǒng)光譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)

相鄰二縫的衍射光程差為dsin β，相位差為δ2=

令

由N條光柵刻線得到衍射光強(qiáng)為

I0為入射光強(qiáng)，由此公式可分析光譜儀的主要性能。

2 光譜分析儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

圖2 改進(jìn)型光譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于該光譜分析儀主要應(yīng)用于道路照明等戶外檢測(cè)行業(yè)，根據(jù)實(shí)際需求，我們將其設(shè)計(jì)成動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀器，其檢測(cè)環(huán)境的照度較低，一般只有1～50 lx，且入射角度不斷變化，而傳統(tǒng)光譜分析儀一般的工作環(huán)境照度有100～2 000 lx，因此，我們對(duì)光譜分析儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低光能的損耗，如圖2 所示。根據(jù)國(guó)標(biāo)GBT5700—2008 照明測(cè)量方法中的要求，在照明現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量色溫、顯色指數(shù)的光譜輻射計(jì)應(yīng)滿足以下條件:a)波長(zhǎng)范圍為380 nm～780 nm，測(cè)光重復(fù)性應(yīng)在1%以內(nèi);b)波長(zhǎng)示值絕對(duì)誤差≤±2.0 nm;c)光譜帶寬≤8 nm;d)光譜測(cè)量間隔≤5 nm;e)對(duì)A 光源的色品坐標(biāo)測(cè)量誤差為|ΔX|≤0.001 5，|ΔY|≤0.001 5。因此，必須在滿足國(guó)標(biāo)要求的測(cè)量精度基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 余弦修正器的改進(jìn)

光譜分析儀上余弦修正器的主要作用為校正光度計(jì)探測(cè)器的角度響應(yīng)特性符合余弦特性，即利用余弦修正器對(duì)光度計(jì)的探測(cè)器進(jìn)行的修正。

為了保證能在夜間低照度的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，我們需要在余弦修正這一環(huán)節(jié)盡可能降低光能的損耗，在余弦修正器的材料及形狀上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

表1 余弦修正器對(duì)比測(cè)試表

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，我們需要保證光線在不同的入射角度下都能測(cè)量速度，于是我們將市場(chǎng)上常見的兩款余弦修正器以及一款自主研發(fā)的半球形余弦修正器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，在使入射光線為45°角入射，積分時(shí)間都定為30 ms，其他硬件都相同的前提下，我們測(cè)試了余弦修正器的照度下限值，從表1 中可以看出半球形余弦修正器的測(cè)試效果較好。

2.3 狹縫的選擇

狹縫是一條寬度可調(diào)、狹窄細(xì)長(zhǎng)的縫孔。有固定狹縫，單邊可調(diào)的非對(duì)稱式狹縫和雙邊可調(diào)的對(duì)稱狹縫。光輻射經(jīng)光譜儀色散分光后的每條譜線，都是入射狹縫的像。進(jìn)入單色器或從單色器出射的輻射能量，均由狹縫寬度調(diào)節(jié)。

根據(jù)圖2 可得，當(dāng)光譜儀入射縫寬為Δx時(shí)，相應(yīng)由光柵出射并通過出射狹縫的光束具有Δβ 的角寬度

所引起的測(cè)量譜線寬度Δλ 為

分辨率定義為R=λ/Δλ，λ 為光波波長(zhǎng)，Δλ 為分辨極限。由上式分析知道，Δλ 與狹縫寬度成正比，與分辨率狹縫寬度成反比。所以當(dāng)狹縫較寬大時(shí)，雖然譜線信號(hào)強(qiáng)度增加，但測(cè)量所得譜線線寬也將隨之增加，從而造成儀器光譜分辨率下降。國(guó)標(biāo)要求波長(zhǎng)示值絕對(duì)誤差≤±2.0 nm，目前商場(chǎng)上常見的狹縫縫距有20 μm、50 μm、100 μm、150 μm 以及200 μm，我們選擇了200 μm 的狹縫，并進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明其波長(zhǎng)分辨率滿足國(guó)標(biāo)要求。

2.4 反射鏡的選擇

從圖1 中可以看到，光譜分析傳感器內(nèi)部有三面反射鏡，分別為平面鏡、準(zhǔn)直鏡以及聚焦鏡。

我們知道當(dāng)平行光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)就會(huì)發(fā)生全反射，而且分界面附近形成一個(gè)迅衰場(chǎng)(evanescent field)。其振幅隨離開分界面距離增加而迅速衰減，而且反射鏡由于鍍銀，會(huì)隨著時(shí)間的推移而氧化，其反射率也會(huì)隨之降低，一塊全新的反射鏡其反射率約為93%，經(jīng)過三塊反射鏡之后，光能只有初始光能的80%，光能損耗為20%。如圖2 所示，經(jīng)過光路優(yōu)化之后，去掉了圖1中的平面鏡M1，對(duì)準(zhǔn)直鏡以及聚焦鏡的鍍膜材料也進(jìn)行了多種嘗試，最終選擇了SAG +準(zhǔn)直鏡，其不同于其他普通鍍銀反射鏡，不會(huì)氧化，特點(diǎn)是能吸收幾乎所有的紫外光，增強(qiáng)可見到近紅外波段的反射率(95%)，能夠增強(qiáng)測(cè)試的靈敏度。經(jīng)過光路優(yōu)化設(shè)計(jì)，光能損耗為10%，將損耗降低了一半。

2.5 分光器件的選擇

目前市場(chǎng)上銷售的光譜儀中使用的光柵幾乎都是反射式閃耀光柵而非常見的透射光柵，因?yàn)橥干涔鈻庞泻艽蟮娜秉c(diǎn)，在衍射圖樣中沒有色散的零級(jí)光譜總是占總光能的很大一部分，其余的光能量則分散在各級(jí)光譜中，而反射式閃耀光柵的優(yōu)點(diǎn)是能將單縫的中央最大值的位置從沒有色散的零級(jí)光譜轉(zhuǎn)移到其他色散的光譜級(jí)上，這就很好彌補(bǔ)了透射光柵的缺點(diǎn)。我們選擇每毫米600 刻線、閃耀波長(zhǎng)為450 nm的閃耀光柵。

2.6 光探測(cè)器的選擇

光譜分析儀大多采用CCD 傳感器作為光探測(cè)器，CCD 傳感器探頭是以模擬人眼的光譜響應(yīng)為基本原理，其所測(cè)量的值，即為色度坐標(biāo)圖上所代表的顏色，與人眼觀察該光源時(shí)所感受到的顏色相近。被測(cè)對(duì)象的光信息通過光學(xué)系統(tǒng)，在CCD 的光敏元上形成光學(xué)圖像，CCD 器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量。用一定頻率的時(shí)鐘脈沖對(duì)CCD 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在CCD 輸出端得到被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收的光強(qiáng)強(qiáng)弱，而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)CCD 光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對(duì)CCD 輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行二值化或者量化處理后，將被測(cè)目標(biāo)從背景中分離出來，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析作準(zhǔn)備。CCD 探測(cè)器具有自然積分的特性，因此具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍，只受暗(熱)電流和AD 轉(zhuǎn)換卡數(shù)據(jù)處理速度的限制，但也存在信噪比低的缺點(diǎn)。

我們選取東芝的一款弱光CCD 傳感器，3648 單元的線陣硅CCD 具有集成的電子快門功能，最快可以達(dá)到10 微秒的積分時(shí)間。

3 操作軟件的設(shè)計(jì)

由于該軟件應(yīng)用于道路照明等戶外檢測(cè)行業(yè)，使用者并非專業(yè)人員，因此，我們針對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目，舍棄繁瑣的操作步驟，讓用戶得到一目了然的檢測(cè)結(jié)果，如圖3。

圖3 軟件界面

4 小 結(jié)

利用該光譜分析儀可方便快速測(cè)量高壓鈉燈、金鹵燈、LED 燈、節(jié)能燈等各種路燈光源的色溫指數(shù)、顯色指數(shù)，為路燈光源色度學(xué)指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量提供了科學(xué)可靠的技術(shù)支持。

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