一种采用面阵彩色CCD及视频信号接口的光谱仪

　　1　引　言

　　光谱分析仪器是研究颜色和物质成分较重要的工具,在视觉效果比对、彩色显示和生物化学领域有着广泛的应用。在研究物质成分的应用中主要是通过测量样本在投射、反射或激发状态下的光谱组成,对特征谱线的位置和强度加以分析[1];在彩色显示与测量领域的应用主要是通过测量自发光、透射光或反射光的全光谱功率分布函数,通过对功率分布函数进行积分和CIE标准色度空间的坐标转换,求得人眼对应的三刺激值[2]。

　　目前的颜色测量仪器主要可分为光电积分式测色仪和分光光度色度仪两大类[3]。光电积分式测色仪使用三个分立的光电接受元件模拟人眼的三刺激值响应,通常采用的光电探测元件为光电池或光敏二极管。为了达到绝对坐标测量的目的,分立的光电探测器必须具有与CIE标准色度观察者光谱三刺激值曲线X(λ), Y(λ), Z(λ)完全一致的光谱灵敏度曲线,这一点在硬件上目前还不能达到。因此光电积分式测色仪器在作为颜色测量标准方面略逊一筹,通常作为低精度的色彩比对。积分式测色仪的优点是结构和信号处理简单,便于和计算机接口,因此成本较低。

　　分光光度色度仪的的核心部分是光谱仪。它通过测量特征光源或反射、投射光的光谱功率分布函数S(λ)来实现对三刺激值的测量。具体转换关系如下

　　式中Δλ是波长间隔;X、Y、Z是标准色度观察者的光谱三刺激值;S(λ)视具体情况应该为光源光谱功率分布函数、透射率分布函数或反射率分布函数,为简化起见,本文统称光谱功率分布函数S(λ);K为颜色调整因子。为了使三刺激值有统一的尺度,CIE规定光源的Y刺激值为100,此时K取值为

　　由于这种测量方法直接反映了光源的频谱特性,有效地解决了对同色异谱的识别。另外,由于测量信号转换元件的光学特性均一,可以方便地获得其频谱响应的修正函数。从而通过软件提高总体精度。

　　现代的分光光度式色度仪主要有采用光电倍增管为探测元件的机械式色度仪和采用CCD器件为探测元件的CCD色度仪。由于实际的测量系统在运动机构、采样方式或数据处理上通常是不连续的,上述公式采用了频谱的离散化处理,这给应用CCD器件作为光谱功率分布的探测器提供了便利。CCD的像素在空间上是均匀分布的,因此可以把CCD的像素间距作为波长间隔Δλ处理。

　　CCD色度仪的性能很大程度上取决于CCD器件的性能和质量。像素间距、灵敏度、暗电流噪声、动态范围等特征参数是重要因素。为了提高测量的精度和稳定性,现有的典型设计通常采用高像素数双线阵CCD同步实时补偿的方式[4],这种设计在光路布置、机构和数据处理电路方面相对复杂,而且了实现可靠的补偿,对CCD和机构的装调也有较高的要求,因此主要应用在精度要求较高的情况下。本文介绍的光谱仪采用面阵CCD产生视频信号并配合通用的PC视频信号采集卡,将信号处理部分交给PC机的软件完成,大大简化了光学和信号处理电路的设计。由于在信号处理上采用了数字化积分和随机误差消除的方法,使采用普通CCD(512×580像素)就能达到必要的测量精度.