快速光谱测量分析系统

　　引　言

　　测量光谱功率分布的分光光度计是一种非常重要的光辐射测量仪器。目前常见的分光光度计大致分为波长扫描和全光谱同时探测两种。波长扫描一次只能测量一个波长处的光谱功率,即使只测量可见光波段,至少需要数分钟以上的时间。它要求测试目标和仪器在测试过程中都必须是稳定的,而对于瞬变光源的光谱测量以及光谱在线快速测量只能采用全光谱同时探测。全光谱同时探测是全部单色光辐射同时入射到多通道光电探测器上。探测器同时获得整个光谱能量分布信息,并转换出多路平行电信号,在电时钟脉冲信号的控制下,分时串行输出电信号,实现对样品的快速测量。

　　1　测量原理

　　用分光光度计测量辐射度、光度和色度量是一种精度较高的测量方法。它可直接测得光谱功率分布——光谱辐照度E(λ)(或光谱辐亮度),据此可得到以下几个光度学和色度学的基本量:

　　1.1　指定波段λ1—λ2内的辐照度

　　如果在λ1到λ2的谱带内已知光谱辐照度E(λ),则该谱带内的辐照度Ee为

　　1.2　光照度

　　1.3　三刺激值

　　进一步根据CIE色度计算方法可求得目标的主波长、色纯度、色温及显色性等量[2]。

　　2　快速光谱测量分析系统的硬件设计

　　本系统由光学系统、单片机硬件和软件三大部分构成,系统硬件整体结构如图1所示。光源1发出的辐射经过乳白片2、滤色片3、光阑4、透镜5后,在多色仪入射狭缝6上得到光源的象,然后经过光栅7分光后投射在CCD10光敏面上,通过CCD实现光电转换,并由A/D变换输出数字量,单片机采集此数字信号进行处理,再由液晶显示光谱图和计算结果。

　　光路中的乳白片可看作是一个余弦校正器,同时它形成二次光源,避免入射方向的变化引起CCD对应波长位置的变化。加在乳白片后的滤色片是为了消除紫外的二级光谱对可见光测量值的影响,而加在CCD之前的滤色片是为了消除可见光的二级光谱对近红外波段测量值的影响。多色仪将光源或被测物体光谱色散并顺序成象于CCD的光敏面上。在快速测量系统中,我们采用了结构简单、性能可靠的以平面衍射光栅为主要器件的多色仪,它具有光学元件少、能量损失小、稳定性好等特点,其主要技术参数如下:

　　1)工作波长范围:380nm-1000nm;

　　2)光栅常数:600线/mm;

　　3)狭缝宽度:0.5mm;

　　4)闪耀波长:500nm。

　　闪耀波长偏向短波方向,使短波谱线强度大,因为用辐射标准灯标定时,光信号在短波处小、长波处大,故以此来兼顾长短波信号的强弱。