多功能便携式色温表的研制

　　一、基本原理

　　我们研制的色温表没有使用传统的双色比原理, 而是依据色温公式。在(2500~10000)K范围内, 有经验公式:

　　式中x, y分别为光源发光的色品坐标。

　　设从色敏探测器 中输 出三 个值分别为Rr、G、B, 色敏探测器的相对光谱灵敏度模拟CIE1931标准色度观察者的色匹配函数x(λ)、y(λ)、z(λ), 光源的三刺激值可表示为:

　　则光源的色品坐标x、y即可算出。

　　式中, 转换系数

　　式中x0、y0、z0分别为标准色源的色品坐标; Rr0、G0、B0探测器测量标准色源的三个输出值。在测量待测光源色温之前, 如果先用已知色品坐标及色温的标准灯求得转换系数, 就可以利用公式计算得到待测光源的色品坐标, 继而计算得出待测光源的色温。

　　与传统色温表基于的双色比法的测量原理相比, 这种原理综合利用了红、绿、蓝三通道与色温值之间的关系, 使用了更完整的样品信息,适用范围更宽。

　　二、技术方案

　　研制的色温表结构示意图如图1所示。

　　1.探测器部分

　　我们选用的色敏传感器是一个新型的集成了光- 频转换电路的三波段色敏元件, 它的特点:

　　(1) 几何尺寸很小, 中心面积为144μm×144μm, 颜色传感器的受光面极小, 入射光角度特性好, 有利于克服光源辐照不均匀带来的误差;

　　(2)稳定性好;

　　(3) 光频转换器集成在一起, 可以直接输出数字信号。

　　由于探测器R、G、B信号使用的是同一二极管, 同一CMOS电路, 只是由外围电路提供不同的电平控制输出, 所以可以保证探测器中R、G、B信号的放大系数是相同的, 三个通道的响应是一致的。这样不但可以获得更完整的样品色温信息, 而且由于三个通道转换测量时间极短,有利于克服光源不稳定带来的误差, 同时输出的是数字信号, 可以减小成本和功耗。

　　2.电路设计

　　电路原理图如图2所示。

　　3.计算程序

　　计算程序包括: (1) 完成转换系数方程的计算; (2) 编写单片机程序完成色温计算。

　　首先利用单色仪测量标准色温灯在不同功率下的色温和色品坐标, 得到(2000～10000)K量程范围内关于Kr、KB、Kb的十几组数据。然后利用计算机得出不同色温下Kr、KB、Kb关于fr、fb、fg的曲线, 拟合成一个二次方程。实际上, 这个二次方程已呈现明显的线性趋势。我们将该曲线分成段, 确保其线性趋势。

　　将转换方程和色温计算公式写入单片机中。注意第一次启动测量程序后需经过一段时间的延时, 目的是使光源充分照射到探测器, 使其稳定。由于实际测量所需的时间很短, 不仅可以减小光源不稳定带来的误差, 而且用户还可以自己选择测量的次数, 单次到30次测量, 由单片机取平均值, 满足不同要求的测量需要。