陳 波，朱佳南，陶 俊，陳尚智，尤 源

(1.寧波市政設(shè)施研究所，浙江寧波 315000;2.鹽城師范學(xué)院物電學(xué)院，江蘇鹽城224002;3.鹽城師范學(xué)院實驗中心，江蘇 鹽城 224002）

0 引言

在道路照明行業(yè)中，一般有兩種測量系統(tǒng)來描述光源顏色的特性:“色溫”用來表示燈光本身的色外觀，“顯色指數(shù)(CRI）”是光源對物體顏色呈現(xiàn)的程度，這兩個參數(shù)對評測和說明光源都極其重要。路燈色溫一般在1500 K～7000 K之間，色溫越高，光源的顏色越偏向于冷色調(diào)，給人以清冷的感覺;色溫越低，越偏向于暖色調(diào)，給人以溫暖的感覺，道路照明設(shè)計時，色溫是一項重要指標(biāo)。顯色指數(shù)是指被測光源照明物體的心理物理色與參比光源照明同一色樣的心理物理色符合程度的度量，也就是物體顏色的還原程度，其數(shù)值越接近100，顯色性越好。如果道路照明設(shè)計的顯色指數(shù)過低，則會影響人對物體的判斷，容易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。因此，道路照明光源光譜檢測意義重大。

目前道路照明行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)可以引用國標(biāo)GB 5700中的方法:現(xiàn)場的色溫和顯色指數(shù)測量應(yīng)采用光譜輻射計，每個場地不應(yīng)少于9個測量點，然后求其算數(shù)平均值作為該被測現(xiàn)場的色溫和顯色指數(shù)。

目前的測量方法及儀器存在以下缺點:測量工作量大，光譜儀采集速度慢、效率低，完成一次測量需要數(shù)小時，測量時間過長還會影響交通，威脅檢測人員的人身安全。采用手持式儀器測量，檢測人員讀數(shù)時衣服的反射光會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前市場上所銷售的手持式色溫計由于主要用于室內(nèi)測量，沒有考慮到室外環(huán)境光的影響，在室外測量時，則需要采集天空作為本底，以降低環(huán)境光的影響。

為此筆者在常規(guī)道路照明的色溫、顯色指數(shù)測量方法以及原有手持式光譜分析儀的基礎(chǔ)上進行改進，實現(xiàn)了兩大突破:提高測量速度，由靜態(tài)測量改為動態(tài)連續(xù)測量;降低環(huán)境光影響，由傳統(tǒng)的室內(nèi)測量改為室外測量。研制出適用于室外道路光譜檢測的系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效率、高精度測量。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

光源發(fā)出的光通過余弦修正及濾光片后被衍射光柵進行分光處理，CCD傳感器接受單色光，進行光電轉(zhuǎn)換，得到需要的信號后進一步放大處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終在電腦軟件上顯示，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2所示為該系統(tǒng)主機、電腦及光譜分析模塊傳感器。

圖2 系統(tǒng)整體實物圖

光譜分析儀通過磁力吸盤放置于汽車頂部，這樣可以最大程度地降低周圍物體反射光的干擾，如圖3所示。

圖3 光譜檢測系統(tǒng)傳感器安裝位置

使用通信電纜連接系統(tǒng)主機和汽車內(nèi)的計算機，測量人員只需要坐在車內(nèi)操作軟件，便可快速準(zhǔn)確地測出所需測量的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 操作現(xiàn)場演示

本系統(tǒng)是目前市場上唯一的一種可以進行色度學(xué)、光度學(xué)各項指標(biāo)動態(tài)測量的檢測系統(tǒng)，不但光譜偏差量控制在正負(fù)0.5 nm之內(nèi)，檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定度也控制在萬分之四的水準(zhǔn)，準(zhǔn)度與精度兼具且可以在各種作業(yè)環(huán)境下進行檢測，達(dá)到防水、防塵、防震要求。該檢測系統(tǒng)目前已投入生產(chǎn)使用，在室外檢測行業(yè)有較好的發(fā)展前景。

2 系統(tǒng)硬件

在CCD傳感器探頭前裝有λ余弦修正片。由于傳感器探頭垂直向上，但路燈燈具設(shè)計時就有一定的仰角，導(dǎo)致光無法垂直入射到傳感器探頭上，添加余弦修正片可以消除入射光與采光面不垂直時所產(chǎn)生的誤差。

傳感器探頭上裝有濾色玻璃。濾色玻璃可以使光譜響應(yīng)曲線接近人眼的視覺敏感曲線。

CCD傳感器探頭是以模擬人眼的光譜響應(yīng)為基本原理，其所測量到的量，即為色度坐標(biāo)圖上所代表的顏色，與人眼觀察該光源時所感受到的顏色相近。被測對象的光信息通過光學(xué)系統(tǒng)，在CCD的光敏元上形成光學(xué)圖像，CCD器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強成比例的電荷量。用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進行驅(qū)動，在CCD輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序則對應(yīng)CCD光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進行二值化或者量化處理后，將被測目標(biāo)從背景中分離出來，為進一步的數(shù)據(jù)處理和分析作準(zhǔn)備。

光譜檢測系統(tǒng)傳感器主要由余弦修正片、凹面平均衍射光柵和科學(xué)級CCD構(gòu)成。測量原理是分光法，分光法是用光譜儀將被測光分成一定波段分布的單色光，光譜儀的光電傳感器將單色光按波長依次轉(zhuǎn)換為電信號，并與已知光譜功率分布的標(biāo)準(zhǔn)光源相比較，從而得到待測光源的相對光譜功率分布，然后再通過計算得出色溫、顯色指數(shù)等其他色度學(xué)指標(biāo)。本系統(tǒng)中的快速掃描可見分光檢測器(380 nm～780 nm），采用凹面光柵作為檢測元件，構(gòu)成多通道并行工作，同時檢測有光柵分光，再入射到陣列式接收器上的全部波長的光信號，得到吸收值(A）、保留時間(tR）和波長(l）函數(shù)的三度空間層析光譜圖。

為了大幅提高CCD的測量精度，提出了一種全新的CCD使用方法。該方法是將像素間距為H的CCD器件的像素行沿與被測邊緣垂直方向成一定角度α來進行擺放。此時，單線陣CCD的最大測量誤差減小為H×cosα，N個線陣CCD等距錯排并以α角度斜放，最大測量誤差將減小為(Hcosα）/N，當(dāng)列間距為h的面陣CCD沿被測對象軸向斜放時，最大測量誤差減小為h×sinα。分別采用單CCD和雙CCD，對直徑為5.000，8.000 和 12.000 mm 的 3 個標(biāo)準(zhǔn)桿件直徑進行了測量。經(jīng)多次對比，雙CCD斜放，可獲得更高的測量精度。該方法可從理論上徹底打破CCD像素間距的限制。

3 系統(tǒng)軟件

車載式道路照明自動檢測系統(tǒng)軟件在Microsoft Visual Basic集成開發(fā)環(huán)境中編寫，在Windows Xp操作系統(tǒng)中運行。

圖5所示為車載式道路照明自動檢測系統(tǒng)的主界面圖，該界面設(shè)計簡潔明了，針對檢測，舍棄繁瑣的操作步驟，檢測結(jié)果一目了然。

圖6所示為色度學(xué)指標(biāo)測量界面，該界面可詳細(xì)測量燈具的各項色度學(xué)參數(shù)。

圖5 軟件主界面

圖6 色度學(xué)指標(biāo)詳細(xì)測量界面

該軟件可實現(xiàn)定點測量以及連續(xù)測量。光譜軟件中各種路燈光源的色溫指數(shù)、顯色指數(shù)、光譜波長、色品坐標(biāo)等近10項路燈光源色度學(xué)指標(biāo)。

系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下。

波長的測量范圍:380 nm～760 nm。

波長準(zhǔn)確度:±0.5 nm。

色品坐標(biāo)準(zhǔn)確度:±0.0005。

色溫的測量范圍:1500 K～25000 K。分辨率:1 K。

顯色指數(shù)的測量范圍:0～100。

雜散光:＜0.3%。

光度通道線性:±0.3%。

光譜分析模塊積分時間:10 ms～10000 ms。

4 小結(jié)

利用該系統(tǒng)可精確測量高壓鈉燈、金鹵燈、LED燈、節(jié)能燈等各種路燈光源的色溫指數(shù)、顯色指數(shù)、光譜波長、色品坐標(biāo)等近10項路燈光源色度學(xué)方面的主要技術(shù)參數(shù)，為路燈光源色度學(xué)指標(biāo)的現(xiàn)場測量提供了科學(xué)可靠的技術(shù)支持。

經(jīng)校準(zhǔn)及現(xiàn)場使用驗證，本系統(tǒng)操作方便，測量速度快，測量精度高，數(shù)據(jù)傳輸可靠，完全能夠滿足室外照明參數(shù)的現(xiàn)場測量要求。

［1］莊金迅.光源的色溫及其在照明設(shè)計中的應(yīng)用［J］.燈與照明，2007(3）

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［3］GB/T 5700—2008照明測量方法［S］

［4］孔鵬，巴音賀希格，李文昊，唐玉國，崔錦江.雙光柵平場全息凹面光柵光譜儀的優(yōu)化設(shè)計［J］.光學(xué)學(xué)報，2011(2）

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［6］錢偉，秦大為，曹剛.車載式道路照明檢測系統(tǒng)［J］.燈與照明，2010(3）