一种适于低照度动态检测光谱分析仪的设计

郑 旭，钱树龙，许 松，戴锦文

(1.淮安市路灯管理处，江苏 淮安 223001;2.盐城师范学院 物理与电子技术学院，江苏 盐城 224002)

0 引言

近年来随着道路照明行业的发展，路灯光源选择日趋多样化，道路照明行业已不能仅局限于对路灯光度学指标的检测，也要逐渐重视色度学指标检测，光谱分析仪就是色度学指标检测的重要工具。目前，市场上所销售的光谱分析仪主要应用于色度计量、发射光谱测量、LED 测量、紫外/可见吸收光谱测量、宝石成分检测等。道路照明检测是在户外对光源进行检测，面临恶劣的低照度测量环境。我们对市场上所销售的多款光谱仪进行了测试，发现目前市场上所销售的光谱仪均无法满足道路照明低照度、快速动态检测的要求。于是我们在传统光谱传感器的基础上进行改进，设计出一款可应对低照度测量环境且能实现动态快速测量的光谱分析传感器。

1 传统光谱分析仪测量原理

我们对传统的光谱分析仪内部结构进行了分析。首先，光线经过余弦修正器进行入射角度修正，入射光线经过狭缝S 后再经过平面镜M1反射并通过准直镜M2进行光路准直，M2出射的平行光经过反射式闪耀光栅作分光处理，最后，衍射光再通过聚焦镜M3把一级衍射条纹传递给CCD 传感器进行光电转换，如图1 所示。

其中，光栅的衍射方程为:d(sini +sinβ)=mλ，d 为光栅常数，i为入射角，β 为衍射角，在讨论光栅分辨率问题时，为简单起见，常设入射光为垂直光栅入射，即入射角i=0，此时单缝宽度为a的衍射光程差为:asin β，其相位差，间距为d的

图1 传统光谱分析仪内部结构

相邻二缝的衍射光程差为dsin β，相位差为δ2=

令

由N条光栅刻线得到衍射光强为

I0为入射光强，由此公式可分析光谱仪的主要性能。

2 光谱分析仪的改进设计

2.1 设计思路

图2 改进型光谱分析仪内部结构

由于该光谱分析仪主要应用于道路照明等户外检测行业，根据实际需求，我们将其设计成动态检测仪器，其检测环境的照度较低，一般只有1～50 lx，且入射角度不断变化，而传统光谱分析仪一般的工作环境照度有100～2 000 lx，因此，我们对光谱分析仪的内部结构进行了光优化设计，尽可能降低光能的损耗，如图2 所示。根据国标GBT5700—2008 照明测量方法中的要求，在照明现场测量色温、显色指数的光谱辐射计应满足以下条件:a)波长范围为380 nm～780 nm，测光重复性应在1%以内;b)波长示值绝对误差≤±2.0 nm;c)光谱带宽≤8 nm;d)光谱测量间隔≤5 nm;e)对A 光源的色品坐标测量误差为|ΔX|≤0.001 5，|ΔY|≤0.001 5。因此，必须在满足国标要求的测量精度基础上进行改进。

2.2 余弦修正器的改进

光谱分析仪上余弦修正器的主要作用为校正光度计探测器的角度响应特性符合余弦特性，即利用余弦修正器对光度计的探测器进行的修正。

为了保证能在夜间低照度的测试环境下进行动态测量，我们需要在余弦修正这一环节尽可能降低光能的损耗，在余弦修正器的材料及形状上进行对比测试。

表1 余弦修正器对比测试表

为实现动态测量，我们需要保证光线在不同的入射角度下都能测量速度，于是我们将市场上常见的两款余弦修正器以及一款自主研发的半球形余弦修正器进行对比测试，在使入射光线为45°角入射，积分时间都定为30 ms，其他硬件都相同的前提下，我们测试了余弦修正器的照度下限值，从表1 中可以看出半球形余弦修正器的测试效果较好。

2.3 狭缝的选择

狭缝是一条宽度可调、狭窄细长的缝孔。有固定狭缝，单边可调的非对称式狭缝和双边可调的对称狭缝。光辐射经光谱仪色散分光后的每条谱线，都是入射狭缝的像。进入单色器或从单色器出射的辐射能量，均由狭缝宽度调节。

根据图2 可得，当光谱仪入射缝宽为Δx时，相应由光栅出射并通过出射狭缝的光束具有Δβ 的角宽度

所引起的测量谱线宽度Δλ 为

分辨率定义为R=λ/Δλ，λ 为光波波长，Δλ 为分辨极限。由上式分析知道，Δλ 与狭缝宽度成正比，与分辨率狭缝宽度成反比。所以当狭缝较宽大时，虽然谱线信号强度增加，但测量所得谱线线宽也将随之增加，从而造成仪器光谱分辨率下降。国标要求波长示值绝对误差≤±2.0 nm，目前商场上常见的狭缝缝距有20 μm、50 μm、100 μm、150 μm 以及200 μm，我们选择了200 μm 的狭缝，并进行了测试，测试结果表明其波长分辨率满足国标要求。

2.4 反射镜的选择

从图1 中可以看到，光谱分析传感器内部有三面反射镜，分别为平面镜、准直镜以及聚焦镜。

我们知道当平行光由光密介质射向光疏介质，当入射角大于临界角时就会发生全反射，而且分界面附近形成一个迅衰场(evanescent field)。其振幅随离开分界面距离增加而迅速衰减，而且反射镜由于镀银，会随着时间的推移而氧化，其反射率也会随之降低，一块全新的反射镜其反射率约为93%，经过三块反射镜之后，光能只有初始光能的80%，光能损耗为20%。如图2 所示，经过光路优化之后，去掉了图1中的平面镜M1，对准直镜以及聚焦镜的镀膜材料也进行了多种尝试，最终选择了SAG +准直镜，其不同于其他普通镀银反射镜，不会氧化，特点是能吸收几乎所有的紫外光，增强可见到近红外波段的反射率(95%)，能够增强测试的灵敏度。经过光路优化设计，光能损耗为10%，将损耗降低了一半。

2.5 分光器件的选择

目前市场上销售的光谱仪中使用的光栅几乎都是反射式闪耀光栅而非常见的透射光栅，因为透射光栅有很大的缺点，在衍射图样中没有色散的零级光谱总是占总光能的很大一部分，其余的光能量则分散在各级光谱中，而反射式闪耀光栅的优点是能将单缝的中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他色散的光谱级上，这就很好弥补了透射光栅的缺点。我们选择每毫米600 刻线、闪耀波长为450 nm的闪耀光栅。

2.6 光探测器的选择

光谱分析仪大多采用CCD 传感器作为光探测器，CCD 传感器探头是以模拟人眼的光谱响应为基本原理，其所测量的值，即为色度坐标图上所代表的颜色，与人眼观察该光源时所感受到的颜色相近。被测对象的光信息通过光学系统，在CCD 的光敏元上形成光学图像，CCD 器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量。用一定频率的时钟脉冲对CCD 进行驱动，在CCD 输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时序则对应CCD 光敏元位置的顺序。通过后续处理线路对CCD 输出的视频信号进行二值化或者量化处理后，将被测目标从背景中分离出来，为进一步的数据处理和分析作准备。CCD 探测器具有自然积分的特性，因此具有非常大的动态范围，只受暗(热)电流和AD 转换卡数据处理速度的限制，但也存在信噪比低的缺点。

我们选取东芝的一款弱光CCD 传感器，3648 单元的线阵硅CCD 具有集成的电子快门功能，最快可以达到10 微秒的积分时间。

3 操作软件的设计

由于该软件应用于道路照明等户外检测行业，使用者并非专业人员，因此，我们针对检测项目，舍弃繁琐的操作步骤，让用户得到一目了然的检测结果，如图3。

图3 软件界面

4 小 结

利用该光谱分析仪可方便快速测量高压钠灯、金卤灯、LED 灯、节能灯等各种路灯光源的色温指数、显色指数，为路灯光源色度学指标的现场测量提供了科学可靠的技术支持。

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