一種適于低照度動態檢測光譜分析儀的設計

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.鹽城師范學院 物理與電子技術學院，江蘇 鹽城 224002)

0 引言

近年來隨著道路照明行業的發展，路燈光源選擇日趨多樣化，道路照明行業已不能僅局限于對路燈光度學指標的檢測，也要逐漸重視色度學指標檢測，光譜分析儀就是色度學指標檢測的重要工具。目前，市場上所銷售的光譜分析儀主要應用于色度計量、發射光譜測量、LED 測量、紫外/可見吸收光譜測量、寶石成分檢測等。道路照明檢測是在戶外對光源進行檢測，面臨惡劣的低照度測量環境。我們對市場上所銷售的多款光譜儀進行了測試，發現目前市場上所銷售的光譜儀均無法滿足道路照明低照度、快速動態檢測的要求。于是我們在傳統光譜傳感器的基礎上進行改進，設計出一款可應對低照度測量環境且能實現動態快速測量的光譜分析傳感器。

1 傳統光譜分析儀測量原理

我們對傳統的光譜分析儀內部結構進行了分析。首先，光線經過余弦修正器進行入射角度修正，入射光線經過狹縫S 后再經過平面鏡M1反射并通過準直鏡M2進行光路準直，M2出射的平行光經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把一級衍射條紋傳遞給CCD 傳感器進行光電轉換，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，i為入射角，β 為衍射角，在討論光柵分辨率問題時，為簡單起見，常設入射光為垂直光柵入射，即入射角i=0，此時單縫寬度為a的衍射光程差為:asin β，其相位差，間距為d的

圖1 傳統光譜分析儀內部結構

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為

I0為入射光強，由此公式可分析光譜儀的主要性能。

2 光譜分析儀的改進設計

2.1 設計思路

圖2 改進型光譜分析儀內部結構

由于該光譜分析儀主要應用于道路照明等戶外檢測行業，根據實際需求，我們將其設計成動態檢測儀器，其檢測環境的照度較低，一般只有1～50 lx，且入射角度不斷變化，而傳統光譜分析儀一般的工作環境照度有100～2 000 lx，因此，我們對光譜分析儀的內部結構進行了光優化設計，盡可能降低光能的損耗，如圖2 所示。根據國標GBT5700—2008 照明測量方法中的要求，在照明現場測量色溫、顯色指數的光譜輻射計應滿足以下條件:a)波長范圍為380 nm～780 nm，測光重復性應在1%以內;b)波長示值絕對誤差≤±2.0 nm;c)光譜帶寬≤8 nm;d)光譜測量間隔≤5 nm;e)對A 光源的色品坐標測量誤差為|ΔX|≤0.001 5，|ΔY|≤0.001 5。因此，必須在滿足國標要求的測量精度基礎上進行改進。

2.2 余弦修正器的改進

光譜分析儀上余弦修正器的主要作用為校正光度計探測器的角度響應特性符合余弦特性，即利用余弦修正器對光度計的探測器進行的修正。

為了保證能在夜間低照度的測試環境下進行動態測量，我們需要在余弦修正這一環節盡可能降低光能的損耗，在余弦修正器的材料及形狀上進行對比測試。

表1 余弦修正器對比測試表

為實現動態測量，我們需要保證光線在不同的入射角度下都能測量速度，于是我們將市場上常見的兩款余弦修正器以及一款自主研發的半球形余弦修正器進行對比測試，在使入射光線為45°角入射，積分時間都定為30 ms，其他硬件都相同的前提下，我們測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試效果較好。

2.3 狹縫的選擇

狹縫是一條寬度可調、狹窄細長的縫孔。有固定狹縫，單邊可調的非對稱式狹縫和雙邊可調的對稱狹縫。光輻射經光譜儀色散分光后的每條譜線，都是入射狹縫的像。進入單色器或從單色器出射的輻射能量，均由狹縫寬度調節。

根據圖2 可得，當光譜儀入射縫寬為Δx時，相應由光柵出射并通過出射狹縫的光束具有Δβ 的角寬度

所引起的測量譜線寬度Δλ 為

分辨率定義為R=λ/Δλ，λ 為光波波長，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。所以當狹縫較寬大時，雖然譜線信號強度增加，但測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。國標要求波長示值絕對誤差≤±2.0 nm，目前商場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，并進行了測試，測試結果表明其波長分辨率滿足國標要求。

2.4 反射鏡的選擇

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

我們知道當平行光由光密介質射向光疏介質，當入射角大于臨界角時就會發生全反射，而且分界面附近形成一個迅衰場(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，會隨著時間的推移而氧化，其反射率也會隨之降低，一塊全新的反射鏡其反射率約為93%，經過三塊反射鏡之后，光能只有初始光能的80%，光能損耗為20%。如圖2 所示，經過光路優化之后，去掉了圖1中的平面鏡M1，對準直鏡以及聚焦鏡的鍍膜材料也進行了多種嘗試，最終選擇了SAG +準直鏡，其不同于其他普通鍍銀反射鏡，不會氧化，特點是能吸收幾乎所有的紫外光，增強可見到近紅外波段的反射率(95%)，能夠增強測試的靈敏度。經過光路優化設計，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，因為透射光柵有很大的缺點，在衍射圖樣中沒有色散的零級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光譜中，而反射式閃耀光柵的優點是能將單縫的中央最大值的位置從沒有色散的零級光譜轉移到其他色散的光譜級上，這就很好彌補了透射光柵的缺點。我們選擇每毫米600 刻線、閃耀波長為450 nm的閃耀光柵。

2.6 光探測器的選擇

光譜分析儀大多采用CCD 傳感器作為光探測器，CCD 傳感器探頭是以模擬人眼的光譜響應為基本原理，其所測量的值，即為色度坐標圖上所代表的顏色，與人眼觀察該光源時所感受到的顏色相近。被測對象的光信息通過光學系統，在CCD 的光敏元上形成光學圖像，CCD 器件把光敏元上的光信息轉換成與光強成比例的電荷量。用一定頻率的時鐘脈沖對CCD 進行驅動，在CCD 輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序則對應CCD 光敏元位置的順序。通過后續處理線路對CCD 輸出的視頻信號進行二值化或者量化處理后，將被測目標從背景中分離出來，為進一步的數據處理和分析作準備。CCD 探測器具有自然積分的特性，因此具有非常大的動態范圍，只受暗(熱)電流和AD 轉換卡數據處理速度的限制，但也存在信噪比低的缺點。

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，最快可以達到10 微秒的積分時間。

3 操作軟件的設計

由于該軟件應用于道路照明等戶外檢測行業，使用者并非專業人員，因此，我們針對檢測項目，舍棄繁瑣的操作步驟，讓用戶得到一目了然的檢測結果，如圖3。

圖3 軟件界面

4 小 結

利用該光譜分析儀可方便快速測量高壓鈉燈、金鹵燈、LED 燈、節能燈等各種路燈光源的色溫指數、顯色指數，為路燈光源色度學指標的現場測量提供了科學可靠的技術支持。

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