本發(fā)明涉及照明領(lǐng)域，特別涉及一種光譜可調(diào)光源及其光譜調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)：

光是由光源發(fā)出的。凡是能發(fā)射紫外線、可見光、紅外線等各種電磁輻射的物質(zhì)都可稱為光源，其中又有自然光源和人造光源之分。常見的自然光源有太陽光、晝空、夜空、月和星等，人造光源的范圍更廣，包括熱輻射或溫度輻射光源、氣體放電光源、固體發(fā)光光源、激光器等各種類型，還有蠟燭、油燈、火焰、電弧等也屬于人造光源。光譜是指復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。

光源的顏色常用色溫這一概念來表示。光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時(shí)，黑體的溫度稱為該光源的色溫。黑體，又稱為普朗克輻射體或完全輻射體，屬于熱輻射或溫度輻射類型；是一個(gè)理想化了的物體，它能夠吸收外來的全部電磁輻射，并且不會(huì)有任何的反射與透射。它沒辦法反射任何的電磁波，但可以放出電磁波，而這些電磁波的波長和能量全取決于黑體的溫度，不因其他因素而改變。在黑體輻射中，隨著溫度不同，光的顏色各不相同，黑體呈現(xiàn)由紅—橙紅—黃—黃白—白—藍(lán)白的漸變過程。絕對黑體的光譜分布特性可以由普朗克公式確定。

現(xiàn)階段，人們認(rèn)知的大多數(shù)人造光源輸出的光譜信息受限于自身發(fā)光物質(zhì)，只能在滿足普朗克公式的前提下，得到一定范圍光譜信息可調(diào)的光源，無法實(shí)現(xiàn)對光源的光譜信息進(jìn)行任意調(diào)整。

例如中國專利cn104378861b公開了一種色溫可調(diào)黑體光源及其色溫調(diào)節(jié)方法，該方法是利用7路氙燈光源、4路鹵鎢燈光源，通過高斯型濾光片控制11路光源的譜線形式，實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)。該方法獲得的光源輸出的譜線形式滿足普朗克公式，除了調(diào)節(jié)色溫之外，還能在一定范圍內(nèi)對光源的光譜信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，但該光源受限于支路的光譜范圍，光譜分辨率的精細(xì)程度有限，并且在所需譜線形式要求精細(xì)或所需譜線形式不同于黑體輻射形式時(shí)，該方法不能得到符合要求的光源。

而目前在空間、海洋、環(huán)境、工業(yè)視覺等領(lǐng)域星等模擬、彩色定標(biāo)、成像相機(jī)輻射度定標(biāo)、光譜成像儀光譜復(fù)原定標(biāo)等方面都需要一種可以根據(jù)實(shí)際需求對光譜信息任意調(diào)整的新型光源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有人造光源的光譜信息調(diào)整范圍窄，無法實(shí)現(xiàn)對其光譜信息進(jìn)行任意調(diào)整的不足，而提供一種光譜可調(diào)光源及其光譜調(diào)節(jié)方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：一種光譜可調(diào)光源，包括出射光源系統(tǒng)、光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)、光譜混合系統(tǒng)，光譜采集系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)；

上述光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)、光譜混合系統(tǒng)、光譜采集系統(tǒng)依次設(shè)置在出射光源系統(tǒng)的出射光路上；上述主控系統(tǒng)分別與所述出射光源系統(tǒng)、光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)、光譜混合系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)相連。

進(jìn)一步地，上述光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括依次設(shè)置的棱鏡、第一會(huì)聚鏡、數(shù)字微鏡器件和第二會(huì)聚鏡；數(shù)字微鏡器件位于第一會(huì)聚鏡的焦面位置。

進(jìn)一步地，上述出射光源系統(tǒng)包括連續(xù)譜光源、狹縫和準(zhǔn)直透鏡，所述狹縫以及準(zhǔn)直透鏡依次設(shè)置在連續(xù)譜光源的出射光路上。

進(jìn)一步地，上述光譜混合系統(tǒng)包括積分球；積分球位于所述數(shù)字微鏡器件反射光路上；第二會(huì)聚鏡位于所述數(shù)字微鏡器件與積分球之間。

進(jìn)一步地，上述光譜采集系統(tǒng)與積分球相連；光譜采集系統(tǒng)包括光譜輻射度計(jì)，用于監(jiān)視所述積分球的輸出的光譜輻亮度值和光譜分布曲線；或者包括光纖光譜儀，用于監(jiān)視所述積分球的輸出的光譜輻照度值和光譜分布曲線。

本發(fā)明利用棱鏡色散的原理獲取不同波長的光，將各個(gè)波長的光束按照波長順序排列在數(shù)字微鏡器件所在平面上，通過控制數(shù)字微鏡器件動(dòng)鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)對各個(gè)波長的光束進(jìn)行選擇，積分球?qū)?shù)字微鏡器件進(jìn)行波長選擇后的光束進(jìn)行混合并輸出，最終在積分球得到所需光譜的光源。

在本發(fā)明中，不同波長的光沿?cái)?shù)字微鏡器件陣列的行方向均勻排布，數(shù)字微鏡器件的每個(gè)動(dòng)鏡的尺寸決定了整個(gè)可調(diào)光源的光譜最小分辨率。通過控制數(shù)字微鏡器件的每列動(dòng)鏡的開關(guān)進(jìn)行波長的選取，通過控制每列中的每個(gè)動(dòng)鏡的開關(guān)進(jìn)行波長能量的選取。與傳統(tǒng)的通過led或?yàn)V光片進(jìn)行光譜權(quán)重可調(diào)的光源相比，本發(fā)明的光譜分辨率的精細(xì)程度較之大幅提高，波長能量可供調(diào)整的范圍也顯著提高。例如數(shù)字微鏡器件的分辨率為1024×768，則其光譜分辨率為波長的范圍除以1024，其波長能量幅值調(diào)整范圍為768檔。

為了提高了光譜信息數(shù)據(jù)采集結(jié)果的可靠性，采用高精度、高靈敏度的光譜輻射度計(jì)采集輻亮度信息；根據(jù)實(shí)際需要，為了進(jìn)一步獲取光譜輻照度信息，還可采用光纖光譜儀。

為了提高光譜權(quán)重的可調(diào)檔位，擴(kuò)大光譜調(diào)整范圍，可設(shè)置多個(gè)數(shù)字微鏡器件，多個(gè)數(shù)字微鏡器件沿縱向逐個(gè)拼接。

為實(shí)現(xiàn)光源能量的疊加，可將光譜可調(diào)光源進(jìn)行模塊化設(shè)置，出射光源系統(tǒng)和光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)一一對應(yīng)作為一個(gè)整體，并將上述整體設(shè)置為多組，多組的出射光源系統(tǒng)和光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的光束同時(shí)射入同一個(gè)光譜混合系統(tǒng)。

為了提高光源光譜的分辨率，棱鏡采用高色散率玻璃。高色散率的玻璃包括輕火石、重火石、鈦火石、鑭火石、鋇火石等。

棱鏡色散本領(lǐng)如公式1所示。

其中：dθ為棱鏡的角色散本領(lǐng)；

b為棱鏡底邊長度；

a為光束的寬度；

為棱鏡材料的色散率。

進(jìn)一步地，數(shù)字微鏡器件的動(dòng)鏡在開啟位置與關(guān)閉位置時(shí)分別與水平面的夾角為12°和168°。

本發(fā)明提供的光譜可調(diào)光源的光譜調(diào)節(jié)方法，包含以下步驟：

1)、數(shù)據(jù)收集

1.1)點(diǎn)亮連續(xù)譜光源，待其穩(wěn)定；連續(xù)譜光源照射狹縫，狹縫出射光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后出射平行復(fù)色光束，平行復(fù)色光束經(jīng)過棱鏡后，不同波長的單色光沿不同方向折射，但同一波長的單色光束仍維持平行；不同波長的單色平行光束經(jīng)過第一會(huì)聚鏡后會(huì)聚到其像方焦面上的不同位置，各個(gè)波長的單色光束的狹縫成像依次排列在第一會(huì)聚鏡的焦面處，形成狹縫的一系列不同顏色的像；

1.2)主控系統(tǒng)控制數(shù)字微鏡器件的所有動(dòng)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)至關(guān)閉狀態(tài)；

1.3)主控系統(tǒng)控制數(shù)字微鏡器件第一列的動(dòng)鏡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；從上向下依次打開第一列的所有動(dòng)鏡，每打開一個(gè)動(dòng)鏡，光譜采集系統(tǒng)便采集一組光譜信息，動(dòng)鏡的開合數(shù)量及其狀態(tài)與光譜信息一一對應(yīng)，作為后續(xù)光譜調(diào)整的初始數(shù)據(jù)，直到第一列動(dòng)鏡全部打開為止；

1.4)重復(fù)步驟1.2)、1.3)，分別對數(shù)字微鏡器件剩余各列的動(dòng)鏡進(jìn)行初始數(shù)據(jù)采集，采集的光譜信息儲(chǔ)存在主控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中；

2)、數(shù)據(jù)輸入、粗調(diào)

2.1)向主控系統(tǒng)輸入需要獲取光源的光譜信息，主控系統(tǒng)將輸入的光譜信息進(jìn)行歸一化處理；

2.2)主控系統(tǒng)基于輸入的光譜信息以及內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法計(jì)算得到與每列數(shù)字微鏡器件動(dòng)鏡的開關(guān)動(dòng)作相對應(yīng)的開關(guān)信號(hào)值的最優(yōu)值；

2.3)主控系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得到的數(shù)字微鏡器件每個(gè)動(dòng)鏡需要開關(guān)所對應(yīng)的開關(guān)信號(hào)值的最優(yōu)值，發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)各個(gè)動(dòng)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)到位；

3)、閉環(huán)自反饋精調(diào)，獲取目標(biāo)光源

3.1)通過光譜采集系統(tǒng)測試積分球的光譜信息，并與所需要的目標(biāo)光譜信息進(jìn)行比對；

3.2)主控系統(tǒng)基于測得的光譜信息得到實(shí)際光譜信息曲線，再根據(jù)實(shí)際光譜信息曲線與目標(biāo)光譜信息曲線的誤差，微量調(diào)整每種波長范圍，直到獲得的光譜信息曲線與目標(biāo)光譜信息曲線誤差小于5％，結(jié)束精細(xì)調(diào)整環(huán)節(jié)；至此，整個(gè)光譜調(diào)節(jié)過程結(jié)束。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1、在本發(fā)明中，不同波長的光沿?cái)?shù)字微鏡器件陣列的行方向均勻排布，數(shù)字微鏡器件的每個(gè)動(dòng)鏡的尺寸決定了整個(gè)可調(diào)光源的光譜最小分辨率。通過控制數(shù)字微鏡器件的每列動(dòng)鏡的開關(guān)進(jìn)行波長的選取，通過控制每列中的每個(gè)動(dòng)鏡的開關(guān)進(jìn)行波長能量的選取。與傳統(tǒng)的通過led或?yàn)V光片進(jìn)行光譜權(quán)重可調(diào)的光源相比，本發(fā)明的光譜分辨率的精細(xì)程度較之大幅提高，波長能量可供調(diào)整的范圍也顯著提高。

2、為了提高了光譜信息數(shù)據(jù)采集結(jié)果的可靠性，本發(fā)明可以采用高精度、高靈敏度的光譜輻射度計(jì)采集光譜輻亮度信息；也可以采用光纖光譜儀采集光譜輻照度信息。

3、本發(fā)明可以設(shè)置多個(gè)數(shù)字微鏡器件，多個(gè)數(shù)字微鏡器件沿縱向逐個(gè)拼接，從而提高光譜權(quán)重的可調(diào)檔位，擴(kuò)大光譜調(diào)整范圍。

4、本發(fā)明可將光譜可調(diào)光源進(jìn)行模塊化設(shè)置，用多組出射光源系統(tǒng)和光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的光束射入同一個(gè)光譜混合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光源能量的疊加。

5、采用高色散率玻璃材質(zhì)的棱鏡可以進(jìn)一步提高光源光譜的分辨率。

6、本發(fā)明中的光譜調(diào)節(jié)方法運(yùn)用首先單點(diǎn)采樣擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，然后運(yùn)用最小二乘算法逼近目標(biāo)函數(shù)的方法，相當(dāng)于使用多組已知連續(xù)函數(shù)進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的擬合；并且光譜采集系統(tǒng)和主控系統(tǒng)互相制約，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)式自反饋功能，可以通過自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)光譜權(quán)重的調(diào)節(jié)。本方法計(jì)算簡潔、流暢，能夠快速、實(shí)時(shí)獲取可調(diào)光源。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的一種光譜可調(diào)光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中的動(dòng)鏡開啟狀態(tài)反射光線的示意圖；

圖3是本發(fā)明中的動(dòng)鏡關(guān)閉狀態(tài)反射光線的示意圖；

圖4是本發(fā)明中選通光譜的示意圖。

圖中各標(biāo)號(hào)的說明如下：

1—出射光源系統(tǒng)；11—連續(xù)譜光源、12—狹縫、13—準(zhǔn)直透鏡；

2—光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)；21—棱鏡、22—第一會(huì)聚鏡、23—數(shù)字微鏡器件、24—第二會(huì)聚鏡；

3—光譜混合系統(tǒng)；31—積分球；

4—光譜采集系統(tǒng)；

5—主控系統(tǒng)；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1至圖3所示的光譜可調(diào)光源的結(jié)構(gòu)示意圖，包括出射光源系統(tǒng)1、光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、光譜混合系統(tǒng)3，光譜采集系統(tǒng)4以及主控系統(tǒng)5；光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、光譜混合系統(tǒng)3、光譜采集系統(tǒng)4依次設(shè)置在出射光源系統(tǒng)1的出射光路上；主控系統(tǒng)5分別與所述出射光源系統(tǒng)1、光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、光譜混合系統(tǒng)3和光譜采集系統(tǒng)4相連。

出射光源系統(tǒng)1包括連續(xù)譜光源11、狹縫12和準(zhǔn)直透鏡13，所述狹縫12以及準(zhǔn)直透鏡13依次設(shè)置在連續(xù)譜光源11的出射光路上。

光譜分解調(diào)節(jié)系統(tǒng)2包括依次設(shè)置的棱鏡21、第一會(huì)聚鏡22、數(shù)字微鏡器件23和第二會(huì)聚鏡24；棱鏡21采用高色散率的重火石玻璃制成；數(shù)字微鏡器件23位于第一會(huì)聚鏡22的焦面位置；數(shù)字微鏡器件23的動(dòng)鏡在開啟位置與關(guān)閉位置時(shí)分別與水平面的夾角為12°和168°。

光譜混合系統(tǒng)3包括積分球31；積分球31位于所述數(shù)字微鏡器件23反射光路上；所述第二會(huì)聚鏡24位于所述數(shù)字微鏡器件23與積分球31之間。

光譜采集系統(tǒng)4與積分球31相連，并設(shè)置在所述積分球出光口的下方。光譜采集系統(tǒng)4包括光譜輻射度計(jì)，用于監(jiān)測所述積分球31的輸出的光譜輻亮度值和光譜分布曲線；或者包括光纖光譜儀，用于監(jiān)測所述積分球31的輸出的光譜輻照度值和光譜分布曲線。

本發(fā)明提供的光譜可調(diào)光源的光譜調(diào)節(jié)方法，包含以下步驟：

1)、數(shù)據(jù)收集

1.1)點(diǎn)亮連續(xù)譜光源11，待其穩(wěn)定；連續(xù)譜光源11照射狹縫12，狹縫12出射光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡13準(zhǔn)直后出射平行復(fù)色光束，平行復(fù)色光束經(jīng)過棱鏡21后，不同波長的單色光沿不同方向折射，但同一波長的單色光束仍維持平行；不同波長的單色平行光束經(jīng)過第一會(huì)聚鏡22后會(huì)聚到其像方焦面上的不同位置，各個(gè)波長的單色光束的狹縫12成像依次排列在第一會(huì)聚鏡22的焦面處，形成狹縫12的一系列不同顏色的像；

1.2)主控系統(tǒng)5控制數(shù)字微鏡器件23的所有動(dòng)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)至關(guān)閉狀態(tài)；

1.3)主控系統(tǒng)5控制數(shù)字微鏡器件23第一列的動(dòng)鏡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；從上向下依次打開第一列的所有動(dòng)鏡，每打開一個(gè)動(dòng)鏡，光譜采集系統(tǒng)4便采集一組光譜信息，動(dòng)鏡的開合數(shù)量及其狀態(tài)與光譜信息一一對應(yīng)，作為后續(xù)光譜調(diào)整的初始數(shù)據(jù)，直到第一列動(dòng)鏡全部打開為止；

1.4)重復(fù)步驟1.2、1.3，分別對數(shù)字微鏡器件23剩余各列的動(dòng)鏡進(jìn)行初始數(shù)據(jù)采集，采集的光譜信息儲(chǔ)存在主控系統(tǒng)5內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中；

2)、數(shù)據(jù)輸入、粗調(diào)

2.1)向主控系統(tǒng)5輸入需要獲取光源的光譜信息，主控系統(tǒng)5將輸入的光譜信息進(jìn)行歸一化處理；

2.2)主控系統(tǒng)5基于輸入的光譜信息以及內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法計(jì)算得到與每列數(shù)字微鏡器件23動(dòng)鏡的開關(guān)動(dòng)作相對應(yīng)的開關(guān)信號(hào)值的最優(yōu)值；

2.3)主控系統(tǒng)5根據(jù)計(jì)算得到的數(shù)字微鏡器件23每個(gè)動(dòng)鏡需要開關(guān)所對應(yīng)的開關(guān)信號(hào)值的最優(yōu)值，發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)各個(gè)動(dòng)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)到位；

3)、閉環(huán)自反饋精調(diào)，獲取目標(biāo)光源

3.1)通過光譜采集系統(tǒng)4測試積分球31出光口處的光譜信息，并與所需要的目標(biāo)光譜信息進(jìn)行比對；

3.2)主控系統(tǒng)5基于測得的光譜信息得到實(shí)際光譜信息曲線，再根據(jù)實(shí)際光譜信息曲線與目標(biāo)光譜信息曲線的誤差，微量調(diào)整每種波長范圍，直到獲得的光譜信息曲線與目標(biāo)光譜信息曲線誤差小于5％，結(jié)束精細(xì)調(diào)整環(huán)節(jié)；至此，整個(gè)光譜調(diào)節(jié)過程結(jié)束。