基于衍射光柵的LED 光源光譜檢測系統(tǒng)設計

張熙宇，許涌，夏金池，陳振宇，劉瓊

（湖南科技大學 物理與電子科學學院，湖南湘潭， 411201）

0 引言

LED 光源在當前照明領域應用越來越廣泛，已經成為光環(huán)境設計與評價的主要研究對象[1,2]。其中，LED 光源的照明參數是評價光環(huán)境的重要指標，一般有光色成分、顯色指數、色溫等[3]。另外，LED 光源中的藍光含量將直接影響人眼健康，是健康光環(huán)境的評價重要參考指標[4]。然而，LED 照明參數的獲取都依賴于對光源光譜分布情況的分析與計算，一般需要借助商用的標準光譜儀才能實現。同時，為響應“新工科”的建設，許多高校創(chuàng)新性地將LED 光譜檢測相關的實驗引入實驗教學中[5,6]，取得了可觀的教學效果。然而，上述應用場景中所需的標準光譜儀一直存在成本偏高、操作難度大、便攜性較差等問題，無法在當前大部分光譜檢測與實驗教學中得到普及。近年來，多位學者研制了各類低成本的簡易光譜儀[7~9]，可以實現對某些光源的光譜檢測，為光譜檢測、實驗教學等應用場景提供了較好的解決方案。

鑒于以上背景，該文提出一種基于衍射光柵的LED 光源光譜檢測系統(tǒng)，利用部分光學元件、CMOS 攝像頭、OpenCV 計算機視覺庫等軟硬件，可以計算和分析LED 光源的衍射光譜圖，得到光源的相對光譜強度分布，能基本實現對LED 光源光譜的簡單檢測。

1 系統(tǒng)整體架構

該系統(tǒng)由分光附件、核心主控兩個部分構成，具體運行流程為：首先，待測LED 光源輻射光依次通過狹縫、準直鏡、衍射光柵以及雙膠合透鏡，此時光源輻射的復合光由于衍射效應被發(fā)散成了不同出射角度的單色光；隨后，CMOS 攝像頭作為光電探測模塊獲取到衍射光的光譜圖，并傳送到主控樹莓派4b 中；樹莓派4b 對光譜圖進行處理與分析，最終在外接的樹莓派顯示器中展示LED光源的相對光譜強度分布曲線圖。該系統(tǒng)整體架構設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

2 裝置基本原理

■2.1 分光附件

分光附件的光路部分由狹縫、透射衍射光柵、雙膠合透鏡、CMOS 攝像頭構建而成。狹縫可以減少雜散光的影響，同時也可以避免待測光源輻射強度過強導致最終成像過曝，影響最終的結果。本文中選取的狹縫為實驗室專用的50 微米狹縫，可以充分滿足對透光量的要求；透射衍射光柵是本系統(tǒng)的核心元件，其滿足衍射方程：

式中：d為光柵常數；β和θ為入射角與衍射角的角度；k為衍射級數；λ為波長。

由式(1)可知，見光波段（380~780nm）中不同波長的光透過光柵后出射的衍射角是不一樣的，也就是在探測元件上成像的位置不一樣。于是，探測元件最終獲取到的圖像信息即為各波長的光譜信息。該文中選取光柵常數為600line/mm 的透射衍射光柵，探測1 級衍射光的光譜信息，且衍射角與探測元件夾角近似于90°，可獲取成像質量較好的衍射光譜圖。雙膠合透鏡作為聚焦透鏡，可以進一步提高衍射光譜的成像質量。選取高分辨率的CMOS 攝像頭作為光電探測模塊，其內部的CMOS 傳感器感光能力強，響應速度快，能較為準確地獲取衍射光的光譜信息。最后，將光路封裝于一個不透光的黑色暗盒之中，在使用時應當做到除狹縫外無其它透光處，才能得到一個近乎無雜散光干擾的光譜圖。

■2.2 核心主控

該部分選用的核心主控為樹莓派（Raspberry Pi）4b，其功能強大，便攜性強，可以很方便地實現各類軟件的開發(fā)與調試。通過樹莓派的USB 接口連接一個高分辨率的CMOS 攝像頭，獲取待測光源經分光附件衍射后的光譜圖像；再利用樹莓派的HDMI 轉micro-USB 接口連接大小為7 寸、分辨率為1024×600 的電容屏，進行光譜數據及照明參數的可視化顯示。由Type-C 接入5V1A 電源給樹莓派4b 供電。

3 圖像處理及系統(tǒng)標定

■3.1 圖像處理

由于分光附件在搭建時總是會存在一定的誤差，且CMOS 攝像頭在成像上也存在噪點、畸變等問題。另外，光譜圖在初始的圖像中所占的比例較小，需要對初始的圖像進行剪切與提取。因此，在分析光譜圖的信息前，需要預先對CMOS 攝像頭獲取的光譜圖進行處理。

OpenCV 是當前最熱門的計算機視覺庫，其廣泛應用于機器視覺、圖像處理等領域，為開發(fā)者提供了攝像頭校準、特征檢測、圖像濾波等解決方案。該文中主要利用了基于Python 語言的OpenCV 計算機視覺庫。對圖像進行預處理。具體流程為：首先，剪切光譜圖的主體部位，并將光譜圖旋轉90°，使光譜圖中的光色按藍光、綠光、紅光（波長由小到大）的排列順序，方便后期處理；針對光譜圖中噪點，使用cv2.bilateralFilter()語句進行雙邊中值濾波處理，達到消除噪聲的目的；同時，圖像在計算機中是由很多像素點排列而成，在OpenCV 的色彩空間中，各像素點的圖像信息為BGR（藍綠紅）三原色的存儲形式，利用cv2.split()語句可以將圖像中的R、G、B 三通道進行分離，并分別存放至二維數組中；由于最終的光譜圖可能存在畸變，以及各波長光的光譜成像不均勻等問題，每列像素點的RGB 值不一定是完全相等的，需要對其進行矯正。此處使用numpy.mean()語句依次對每列像素點的R，G，B 值求均值，以均值代表該像素點的RGB 值，即可較大程度地減少光譜圖畸變與不均勻的影響。圖像處理部分運行流程如圖2 所示。

■3.2 波長標定

由于CMOS 攝像頭的位置是始終固定的，因此各波長的單色光在光譜圖中成像的位置也是固定不變的。于是，可以利用一些已知波長的單色光源（或含有多條特征譜線的光源）作為參照光源，獲取其在光譜圖中對應像素點坐標，再建立兩者之間的關系，即可完成波長標定。當前，大部分波長標定工作都是選取低壓汞燈作為參照光源[7~9]，其發(fā)出的5 條離散的特征波長光線，可以很清晰地成像在光譜圖中，為擬合像素點行坐標與波長之間的關系提供了便利。也可以采用已知波長的其它光源，如各類波長的激光器、鈉燈等，實現波長標定。獲取像素點與波長之間的關系后，可以換算出380nm 與780nm 對應的像素點行坐標，這兩個坐標值是進行光譜圖分析的起始和結束坐標，也是圖像預處理中剪切圖像、提取光譜主體的依據。

■3.3 光譜強度標定

CMOS 攝像頭的光譜強度標定一般有灰度值法、RGB 法。由于像素點的灰度值可以用于體現該像素點的明、暗程度，部分研究中直接用對應像素點的灰度值來近似代替光譜強度[7,8]。也有利用專業(yè)光譜儀檢測各波長的光譜強度后，求得各波長對應灰度值與能量值之間的比例系數，后續(xù)檢測其它光譜時，只需利用此比例系數，即可得到標定后的光譜分布。但這類強度標定方法只能在某些特定的應用場景中有效，無法真正體現出光源的輻射大小。RGB 法主要參考了高動態(tài)范圍圖像成像技術[10]，依賴于前期建立好的CMOS 攝像頭獲取中R、G、B 三通道像素值與輻照度之間的響應關系。利用該響應關系即可得到光譜圖中各波長對應的輻照度值，再對輻射照度值進行歸一化處理，得到相對光譜強度值。

該文中光譜強度標定采用的是RGB 法，其中CMOS 攝像頭的輻照度響應關系是利用最常見的Debevec 方法獲取的。具體標定流程為：（1）利用OpenCV 庫中的Debevec方法對多張相同畫面、不同曝光的圖像進行分析計算，得到R、G、B 三通道值對應的輻照度響應，分別存入三個數組中；（2）根據各波長對應的R、G、B 三通道像素值查表得到對應的輻照度；（3）三通道輻照度相加得到各波長的總輻照度，并對總輻照度值進行Savitzky-Golay 濾波平滑處理；（4）以最大輻照度值對總輻照度值進行歸一化，即可得到相對光譜強度分布曲線。

4 系統(tǒng)測試

完成系統(tǒng)的波長及光譜強度標定后，需對其進行性能測試。使用文中照明檢測系統(tǒng)與標準HPCS-320 光譜照度計分別對幾類LED 光源進行檢測，以檢驗該系統(tǒng)檢測光源光譜數據的準確度。

首先對三個光色為紅、綠、藍的單色LED 光源進行檢測，結果如圖3 所示。對比圖3(a)與圖3(b)可知，該系統(tǒng)可以很好地檢測出單色LED 的光譜分布情況。詳細地說，系統(tǒng)所測紅、綠、藍單色LED 的峰值波長分別為：629nm、524nm、463nm，標準光譜照度計所測峰值波長分別為628nm、524nm、459nm，可知前期波長標定結果誤差較小，可用于基本的單色LED 的光譜特性檢測。

圖3 紅、綠、藍單色LED 相對光譜分布

再對兩種不同色調的LED 照明光源進行檢測，結果如圖4 和圖5 所示。圖4(a)和圖5(a)中實線表示的總相對光譜強度值由R、G、B 三通道輻照度相加與歸一化而來，其它線型分別表示歸一化后的R、G、B 三通道相對輻照強度。根據圖4(a)中系統(tǒng)所測光譜分布情況可知，該光源藍光部分占比較高，紅光部分占比較少，可以判斷其為冷色光源。同時，對比圖4(b)中的標準光譜分布數據可以發(fā)現兩者整體上較為吻合，基本體現了該光源的光譜特性。類似地，圖5 為暖色溫的LED 臺燈檢測結果，根據圖5(a)可知該光源藍光部分占比較少，紅光部分占比較多，可以判斷其為暖色光源。圖5(b)為標準光譜照度計所測結果，對比可知圖5(a)中結果與其同樣較為吻合。綜合以上分析，該文中的LED 光譜檢測系統(tǒng)所測結果與標準光譜照度計所測結果在整體上較為接近。

圖4 冷色LED 相對光譜分布

圖5 暖色LED 相對光譜分布

需要指出的是，系統(tǒng)測得的光譜分布圖中R、G、B 三通道之間相交的部分存在些許誤差，即出現相交波段附近的相對光譜強度較小的現象。這是由于CMOS 攝像頭中三原色的濾光片的邊緣效應，使各原色相交的部分的像素值較小，為系統(tǒng)的固有誤差。同時，可以發(fā)現系統(tǒng)所測LED 光譜分布圖中，沒有出現光譜強度為0 的波段，這與標準光譜照度計所測結果有所偏差。這是由于LED 光源的衍射光譜圖是在弱光環(huán)境下采集，CMOS 攝像頭自身的補償機制會導致原本應當無圖像信息的像素區(qū)域出現噪點，使得該區(qū)域像素點的RGB 三通道值不為0（純黑色）。

5 結語

該系統(tǒng)以樹莓派4b 為核心主控，利用透射衍射光柵、狹縫、準直鏡等元件構成分光附件，實現了對待測復合光的發(fā)散；通過CMOS 攝像頭，獲取了LED 光源衍射光的光譜圖；借助基于Python 語言的OpenCV 圖像處理庫，對光譜圖進行裁剪、旋轉、降噪、分析、計算等操作，提取了光譜圖中的像素信息；預先對系統(tǒng)的波長及光譜強度進行標定，再利用光譜圖中RGB 三通值數據，繪制出了光源的相對光譜強度分布圖。最終的系統(tǒng)測試結果表明，該LED 照明檢測系統(tǒng)可以較為準確地檢測出LED 光源的光譜分布情況，可以用于日常生活中LED 光源的簡單檢測、實驗教學等場景。