一种手持式光源颜色照度测量仪的光谱超分辨方法
【专利摘要】一种手持式光源颜色照度测量仪的光谱超分辨方法，涉及颜色照度测量【技术领域】，包括以下步骤：1）测量并计算手持式分光光源颜色照度测量仪的分光光路点扩散函数；2）对光谱仪器测量得到的信号进行超分辨率运算。本发明具有以下有益效果：1.单色光源下，改善了本仪器的采样结果与标准仪器的测量结果间的线性关系。并且，在不同形状的光谱条件下，可以很好的改善仪器的响应函数对测试结果产生的影响；2.提高了仪器的光谱分辨率，有效减小了由于光谱分辨率不同导致的测量误差。
【专利说明】一种手持式光源颜色照度测量仪的光谱超分辨方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及颜色照度测量【技术领域】，具体涉及为一种手持式光源颜色照度测量仪 的光谱超分辨方法。
【背景技术】
[0002] 通常，对光源的辐射强度和颜色属性的测量有光电积分式和分光光谱式两种。
[0003] 光电积分式测量是采用滤光片匹配仪器相对光谱响应的方法。在滤色片的设计 中，滤色片的相对光谱透过率应满足式1要求： Ll(AMa) = S(A) 1丄_1)=觸 式1 κ:?:_:1) =聊 式中，:?.)、賴I IlJ为ciei931标准色度观察者响应曲线，如图1所示； * * < *； \ / 分别为滤色片的相对光谱透过率;Yp,i为探测器的光谱灵敏度; LL ". H '< - λ % 仄:为相对应的比例系数。
[0004] 采用有色玻璃滤色片来修正仪器光谱灵敏度的方法，性能不稳定、示值误差较大。 由于工艺和设计的难度，这种方法很难获得很高的匹配精度。测量光谱功率分布连续而且 比较平滑的光源时，测量误差相对较小。但是对于LED这种光谱分布不连续，谱线变化又比 较剧烈的光源，测量误差会比较大。
[0005] 近年来出现了分光原理的光源颜色照度测量仪器，此类仪器采用光栅作为分光器 件，测量被测光源的光谱分布。这种测量方法是通过测量被测光源的光谱分布，对被测光 源的照度、颜色值进行计算，可以达到很好的测量精度，由于是直接测量被测光源的光谱分 布，对不同光谱分布的光源进行测量时，测量结果误差较为均衡。所以，在需要对光源的光、 色参数进行高精度测量时，多使用分光测量方法。
[0006] 分光光谱原理的光源颜色照度测量仪器采用光栅作为分光器件，通过测量被测光 源的光谱分布来计算光源的照度、颜色值。
[0007] 目前的分光光谱光源测量仪器由于体积较大，一般采用台式设计。台式分光光谱 光源测量仪器采用多像元CXD作为传感器件，一个阵列传感器上的像元数量可以达到2048 甚至更高，光谱分辨率一般可达到Inm甚至更高。但由于传感器象元面积较小，测量重复性 较差。有研究采用背照式CCD作为传感器件，虽然测量重复性有所改善，但器件成本高昂。
[0008] 手持式分光光源颜色照度测量仪的设计中，为了保证测量重复性，一般采用大面 积像元的阵列传感器作为传感器件，但是这种传感器件的像元数量较少，一般为256个像 元。这种情况下虽然保证了测量重复性，却降低了仪器光谱分辨率。以本发明使用的阵列 传感器为例，本发明采用256象元的CMOS传感器，单个象元尺寸为12. 5 (H) *1000 (V) um，虽 然保证了测量重复性指标，但光谱分辨率为IOnm左右。
[0009] 光谱分辨率过低会在测量时导致测量结果谱线产生一定的畸变。
[0010] 采用阵列传感器做为传感器件的理想情况下，传感器件上每个象元对应着一个光 谱波长。但是实际情况下，分光光路都存在着一定的带宽。波长为^的单色光入射至分光光 路后，其能量会以一定的比例分布在第i个象元附近。同理，当对非单色光进行测量时，每 个象元采集所得信号是由一定光谱范围的光信号所产生的，阵列传感器的单个像元采样信 号可以用式2表示： 其中4为传感器第i个象元的信号强度；4传感器第i个象元所对应的波长； 、…、< 为对应的比例系数；M为一定的光谱间隔。
[0011] 若在定标时使用^作为光谱波长4的能量强度，会导致在测量形状不同的光谱曲 线时测量结果产生畸变。在仪器光谱分辨率较高时或测量光谱形状比较平缓的谱线时，这 种畸变不太明显。但是在仪器光谱分辨率较低时，测量类似LED这种形状变化较为剧烈的 光谱时，测量谱线畸变会比较严重，对光源色参数的测量带来较大的误差。
[0012] 光谱测量仪器对所测试信号的带宽响应可以用仪器响应函数来表示，也叫做点扩 散函数。
[0013] 若仪器的点扩散函数为如图2所示的三角形，其关于中心波长\对称。函数解析式 如式3所示：
【权利要求】
1. 一种手持式光源颜色照度测量仪的光谱超分辨方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 测量并计算手持式分光光源颜色照度测量仪的分光光路点扩散函数； 2) 对光谱仪器测量得到的信号进行超分辨率运算； 2a)将仪器实际测得信号写成卷积的形式=i'U) ，其中丨⑵为仪器实际 测得信号，ι-α)为入射光的实际光谱功率分布，为仪器点扩散函数； 2b)构造一个非因果滤波器#印，使得1-取)=V⑶5(幻；其中，x 为入射光 的实际光谱功率分布?I的导数形式； 2c)使误差信号与任一进入估计的输入信号正交，均方误差最小，滤波器表达式为··r(iv) =n￡0^，其中，分别为仪器实际测得信号丨⑶和仪器点扩 散函数?1(幻的离散空间傅里叶变换,flu为实测信号的信噪比，Τ+U.i为入射光的实际光谱 功率分布,Yui的离散空间傅里叶变换； 2d)使传感器件为大面积的阵列传感器，仪器测量的信噪比>1000,对滤波器表达 . 式进行近似计算，得到：λ= -- ; 2e)对Γ'(：4进行傅里叶逆变换，即可得到入射光的实际光谱功率分布: ,yU) = ,綠:))=其中，:、.·⑵为入射光的光谱功率分布 '^iV ··-f ^ 'Ui -V-* -A ImmHbl j i 际测得信号,MD为仪器点扩散函数，F(i.y)、|fG.,)分别为仪器实际测得信号:和仪器点 扩散函数￥乃的离散空间傅里叶变换。
2. 如权利要求1所述的一种手持式光源颜色照度测量仪的光谱超分辨方法，其特征在 于，所述步骤1)包括以下步骤： la) 用一组波长2为等纳米间隔的单色光对手持式分光颜色照度测量仪器的分光部分 进行测量，得到一组单色光入射波长为的传感器第η个像元采样值ΤΛ(η),构成矩阵又； lb) 对Τ;每行进行归一化，得到归一化后的f;; lc) 取的行向量，即为仪器对不同波长的单色光的点扩散函数。
3. 如权利要求2所述的一种手持式光源颜色照度测量仪的光谱超分辨方法，其特征在 于，还包括步骤3):构造定标装置对手持式光源颜色照度测量仪进行定标； 3a)构造定标装置： 所述定标装置包括电流源（1)、定标光源（2)、积分球（3)和挡板（4);所述电流源（1)连 接定标光源（2 )，所述定标光源（2 )固定在积分球（3 )内壁上，所述电流源（1)控制定标光源 (2)的发光强度，所述积分球（3)内壁涂覆白色漫反射材料，所述积分球（3)上开设有相互 对称的两个出光孔（6)，一个出光孔（6)对准高分辨率标准仪器（5)，另一个出光孔（6)对准 手持式分光光源颜色照度测量仪，两个出光孔（6)和定标光源（2)之间用挡板（4)隔开，避 免定标光源（2)发出的光直接从出光孔（6)出射，挡板（4)上也涂覆和积分球（3)内壁同样 的材料，此处，手持式分光光源颜色照度测量仪为被定标仪器； 3b)通过控制电流源（1)，使定标光源（2)发出不同强度的光，待定标光源（2)发光稳 定后，使用手持式分光光源颜色照度测量仪和高光谱分辨率标准仪器分别在不同强度的光 下对定标光源（2)进行测量，被定标仪器测量结果为St，高光谱分辨率标准仪器测量结果为 Sstd; 3c)对St中每一行，对其采样值矩阵T;每行进行归一化选择[中该波长对应的第一 行作为点扩散函数，应用公式=Z(Vii)JiU)) = ·)进行解卷积运算，得到 * .--*.Wt.. 经过解卷积运算后的传感器的像元采样数据si,选择本单色光对应的该行数据中采样值最 大像元的采样数据作为该波长的测试数据StlQ); 3d)将相同波长下高分辨率标准仪器（5)的测量结果Sstdl(i)与被定标仪器的测试数 据StlU)进行反卷积，再进行线性拟合Sstdl (2 )=kSstdl(i)+d，其中，k、d均为为定 标系数； 3e)对其余波长进行相同运算并获得对应波长处的定标系数，定标过程结束。
【文档编号】G01J3/28GK104236710SQ201410512125
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】袁琨, 吴逸萍 申请人:杭州彩谱科技有限公司, 中国计量学院