全数字积分式光测技术

一、全数字技术背景

    在光度色度测量仪器中，主要分为两大技术系列的产品，分别为分光光度法和积分法。80年代SPD和CCD探测器的研究成功，被引入至光度色度测量仪器研究领域中后，直接改变了传统的以机械扫描为基础分光光度法测试技术，使分光光度技术获得了重大突破，形成了新一代的数字化快速测量仪器，并在90年代得到了广泛的应用。

    积分法原理是将探测器光谱响应曲线匹配成CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值，就是使探测器的响应分别与、相一致，则这样的测试仪器就可以直接得到相应的颜色参数，如色品坐标、相关色温等。这种方法的突出优点在于系统简易、性价比高、测量速度快、可靠性高，因而十分适合作为一种大量使用的便携式光度色度测量仪器。然而积分法的测量技术长期停滞不前，它所采用的以光电池作为光探测器，结合放大器、A/D转换和显示的测量系统，几乎成为了固定的模式，从70、80年代至今，没有什么重大改进，大大限制了积分式测量仪器的应用领域。

    图1所示为传统结构的照度计原理框图，这是一种典型的模拟积分式光度测量仪器。其传感器通常采用光电池结合一组滤光片，把光信号强度转化成电流信号，以可变增益放大器进行信号放大，然后被A/D采样并显示。

图1传统结构的照度计

    在积分式测试技术中，为了保证测量的高准确度，必须尽量减小探测器的光谱响应S(λ)分别与 、 、 的差异。在评价探测器匹配精度(f1)时，我国以V(λ)优于5%作为1级照度计标准，优于4%作为1级亮度计标准。

    传统结构的光测仪器具有以下特点：

1、传感器以连续变化的电流或电压量为输出信号，是一个模拟系统；

2、信号检测系统在A/D转换前部分均为模拟系统，经A/D转换后成为数字量。

    其检测部分由于模拟器件的大量使用，即使探测器具有极高的测量精度和极小的漂移，由于模拟系统的先天因数，必将存在着模拟系统所固有的缺陷：

1、放大器漂移：放大器的漂移主要是受到环境温度、湿度等变化的影响。在检测系统中，高精度放大器只能依靠高质量、高精度的元器件保证。因此必须保证信号通道中所采用的所有元器件的性能，需要选择具有高线性度、高共模抑制比、低噪声、低失调等指标的高性能放大器芯片，高精度、低温度系数的分立元件。但是即使这样，也只能降低放大器的漂移，而不能完全消除。总之：模拟信号通道中的放大器漂移是影响检测精度的主要因素；

2、A/D转换误差：A/D转换误差主要表现在量化误差和采样噪声。在传统的检测系统中，通常采用12位A/D转换芯片，若其转换误差为1LSB，对满量程的电压输入信号，其转换精度在万分之一量级。但是在测量中，由于被测光的变化，一般很难实现满量程输入的电压信号，则检测精度相应降低，一般只能保持在千分之一量级。即使采用高分辨率的A/D，如16位A/D转换芯片，其转换误差也将维持在万分之一量级。同时A/D芯片固有的采样噪声也很难克服；

3、电源干扰：任何模拟系统，其供电电源的稳定性至关重要，电源干扰将直接影响到放大器工作的稳定性，因此必须改善供电电源的性能，和1、2点相同，需要采用大量高性能的器件，即便如此，对电源纹波的抑制毕竟是有限度的；

4、换档误差：考虑到实际应用所需要的较大动态范围，因此一般需根据输入信号的强度采用多个档位测量，则必将带来换档误差。

    上述的多个因数都造成积分式测量仪器虽然具有性价比高、测量速度快、可靠性高等显著的优点，却在实际应用中受到多方面的限制。

三、全数字光测技术

    90年代后期，随着数字技术的不断发展，国际上逐步研制成功将光信号直接转换成数字信号的小型高灵敏度探测器。这和 SPD/CCD的研究成功几乎具有同样重要的意义。杭州新叶光电工程公司对国际这一较新动态进行了同步追踪及研究，研制成功全数字V(λ)传感器，该传感器的匹配精度(f1)在3%-4%左右，达到国家1级照度计标准和亮度计标准，同时引入数字化检测技术，完成全数字信号检测系统。图2所示为全数字照度计原理框图，这是一种典型的全数字积分式光度测量仪器。它以数字V(λ)传感器替代现有的模拟V(λ)传感器，以全数字信号检测系统替代现有的模拟信号检测系统。彻底改变了以模拟信号检测方法为中心的现有积分式光测仪器。

图2 全数字照度计

    由上述技术研制成功的照度计、亮度计系列已通过国家计量部门的检测，已取得计量器具制造许可证书，并已批量生产。

    全数字光测技术与现有技术相比，其主要优点表现在：

1、检测系统无漂移：由于采用了数字V(λ)传感器，传感器输出为数字量，且可以直接和CPU相连，因此在检测系统中放弃了现有技术中放大器、模拟开关、A/D等一系列应用于模拟检测系统中的主要部分，完全克服了检测系统漂移现象，实现了无漂移检测；

2、检测精度高：采用单片微机为核心处理器，对信号具有极高的检测精度。一般可以达到2×10^-6，高于18位A/D采样精度，大大高于现有技术中通常采用的12位A/D的精度，且无任何采样噪声；

3、抗干扰能力强：由于数字系统中为0、1信号，一般低电平为0V，高电平为3或5V，具有很强的抗干扰的能力，因此对供电电源的要求也远远低于模拟系统；

4、无换档误差：采用数字V(λ)传感器具有很大的动态范围，无需换档；

5、RS232接口：可用于计算机远程监控。

四、结论

    全数字技术克服了传统技术中无法避免的放大器漂移、A/D转换误差、电源干扰和换档误差等误差因数，彻底改变几十年来传统的模拟积分式光度色度仪器结构，形成一类新型高精度的全数字化、无漂移、大动态范围的光度色度测量仪器，这些对于传统技术都是无法想象的，也是首次将积分式测量仪器全数字化，是积分式光度色度测量理论和技术研究的突破，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。