新国家色温度基准中的测量与控制
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现代计量测试 1999年第4期
新国家色温度基准中的测量与控制
李高峰 张保洲
(北京师范大学天文学系, 北京 100087)
于家琳
(中国计量科学研究院, 北京 100013)
摘要: 用一个自动的光谱辐射校准系统建立新的国家色温度基准。此次建标以黑体为标准, 并利用光谱辐射功
率测控系统, 标定出色温灯相对光谱辐射功率, 从而计算出该色温灯的色温度。本文介绍了光谱辐射功率测量与控
制系统的软、硬件设计, 并给出了测量结果。
关键词: 光谱功率分布 自动光谱功率校准系统 色温度 分布温度
0 引言
中国计量科学研究院于1997年正式立项建立新的国家色温度基准和副基准。这次建标放弃了
原先的目视测色温的办法, 而代之以黑体为标准, 并利用光谱辐射功率测控系统标定出色温灯相对
光谱辐射功率, 从而计算出该色温灯的色温度。
本文主要介绍该项目中光谱辐射功率自动测控系统的改造和调试工作。
1 光谱辐射功率测量与控制系统
光谱辐射功率测量就是用一色散系统(如单色仪) 把被测辐射源所发出的光辐射分解成具有一
定带宽的单色辐射后, 进行绝对或相对的辐射功率(或称辐射通量) 的测量。测量常分为光谱辐照度
测量、光谱辐亮度测量或光谱总辐通量测量等几种。为了获得较高的精度, 通常采用替代法测量。替
代法测量可以减小光源及探测器的不稳定性对测量结果的影响, 降低单色仪系统重复测量误差等
因素对测量结果的影响, 并减小测量光路不对称性等因素对测量结果的影响。
111 光谱辐射功率测量光路
图1为光谱辐射功率测量光路示意图。单色仪、参考灯、平面镜、漫射板等均放置在一平台上, 该
平台可以在一平行导轨上自由移动。当漫射板面向黑体时, 通过快门的开闭将黑体及参考灯的辐射
经过漫射板交替导入单色仪, 逐个波长进行比较, 以黑体作标准标定出参考灯的光谱辐照度。然后
移动平台使漫射板面向待测灯, 同样通过快门的开闭将待测灯及参考灯的辐射经过漫射板交替导
入单色仪, 逐个波长进行比较, 以参考灯作标准同样可以标定出待测灯的光谱辐照度。
在测量过程中, 我们测量到的分别是与标准光源及待测光源光谱辐射功率相对应的探测器(如
光电倍增管) 输出电流值(或电压值) i标 (K) 和 i测 (K) , 则待测光源的光谱辐射功率分布为:
S 测 (K) = i测 (K) × S 标 (K) ?i标 (K) (1)
其中, S 标 (K) 是黑体或标准灯光谱辐射功率分布。当我们测量出黑体的炉温后, 通过普朗克定律, 可
以计算出黑体的相对光谱辐射功率分布。而标准灯的光谱辐射功率分布则是利用黑体标定出来。
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图1 光谱辐射功率测量光路
光源的光谱辐射功率相对分布值的精确测
量, 在整个国家色温度基准的建立中占有重要
地位。因此, 准确快速的测量出光源的光谱辐射
功率相对分布是色温度基准建立过程中的关键
内容之一。
中国计量科学研究院于1981年建立过一套
光谱辐射功率自动测量装置, 并于1986年改造
过一次, 但是由于多方面的原因, 该系统现在已
无法正常运转, 不能用于建立新的色温基准, 因
此, 要对原有的测控系统做一定改动。改进的原则是简化硬件电路, 突出以软件方式实现控制与测
量, 并要求新的测控系统运行稳定、测量准确、操作方便。
112 改造前的自动光谱测量装置
图2 改造前的自动光谱测量装置组成
改造前的自动光谱测控装置主要包括: 计算机,
锁相放大器, 数字电压表, 步进电动机以及一台自行
设计的多路步进电动机电源分配器 (下面简称分配
器) , 总体结构如图2所示。
计算机通过串行口发送命令给分配器, 命令其控
制多个步进电动机控制波长扫描、探测器和滤光片的
切换、快门的开闭等。在每一个测试点, 探测器通过锁
相放大器、数字电压表、IEEE488接口卡, 将测量数据
送至计算机, 并由计算机进行处理和保存。可以看出,
步进电动机电源分配器是改造前控制系统的核心。
113 改造后的自动光谱测量装置
改造后的自动光谱测量装置总体结构如图3所示。与图2比较, 主要改进如下:
图3 改造后的自动光谱测量装置组成
11311 用可插于计算机扩展槽的并口扩展卡代替原先
的分配器
新的测量系统中使用了一块扩展并口卡。该接口卡
电路简单, 计算机通过它最多可以分时读写六路并行数
据, 这样就可以由计算机直接产生不同频率的方波, 通过
该卡送入步进电动机电源部分驱动各个电机转动, 即主
要从软件上解决步进电动机驱动问题。而软件的调试和
修改方便、易行, 因此, 通过驱动程序的更换, 可以很方便的变换步进电动机的不同驱动方式。
11312 在新的测控系统中取消了数字电压表
之所以取消数字电压表是出于以下两个方面的考虑:
a1测控系统中使用的 EG&G 公司5206锁相放大器能够以串行方式或并行方式与计算机正常
通信。
b1串行接口 (R S232) 是现在普遍使用的个人计算机 ( PC ) 的标准配置, 而利用并行接口
( IEEE488) 通信, 则必须另外设计(或购买) 一块用于通信的接口卡。
因为以上这些原因, 在新的测量与控制系统中放弃了 IEEE488并行接口, 而改用R S232串行接
口与锁相放大器通信。通过编制串行通信程序, 使用计算机自由控制锁相放大器实现了其面板上的
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所有功能, 如数据读取、量程改变、各种参数设置等等。
114 测控系统软件的编制
改造前的自动光谱辐射功率测控系统软件是运行于DO S 操作系统, 由Basic 语言编写的。由
于受当时计算机及编程语言的限制, 该程序比较简单。现在新的测控软件是运行在W indow s 操作
系统上, 应用Bo rland 公司的Delphi 集成开发环境编制完成的, 功能强大, 操作简便。关于编程工
作, 这里仅从两个方面谈一谈。
11411 在W indow s 下读写 I?O 端口及基于 R S232协议的串行通信
1141111 由于自动光谱测控系统中使用的并行接口扩展卡并非微机标准配置, 没有标准驱动程序
的支持, 因此, 采用V isual C+ + 510编制了访问端口的动态链接库(M yD ll) , 其中包括下面两个函
数:
vo id outchar (po rt: wo rd, ch: char);
char inchar (po rt: wo rd)。
编制完动态链接库, 在Delphi 中以如下方式声明它们(M ydll 是动态链接库的库名):
outchar (po rt: wo rd; ch: byte); external'M ydll' index 1;
inchar (po rt: wo rd) char; external'M ydll' index 2。
这样在Delphi 中就可以象调用自身过程或函数一样调用动态链接库中的输入输出函数实现 I?O
操作。
1141112 由于在新的测控程序中需要通过 R S232串行接口与锁相放大器交换数据, 因此, 专门编
制了一个用于 R S232串行通信的部件。将涉及 R S232串行通信的大部分细节, 如波特率、数据位等
的设置、缓冲区的管理、读写操作等都封装在这个部件内, 从而使串行接口的操作变得简单、规范。
我们知道, 许多智能化仪器及数据采集系统与计算机交换数据都是通过串并行接口或扩展总
线实现的, 上面介绍的读写 I?O 端口动态链接库及用于 R S232串行通信部件均可方便应用到其它
编程工作中。
11412 光源相关色温的计算
当我们获得了光源的相对光谱功率分布S (K) 后, 就可以按照如下步骤计算光源的相关色温。
1141211 根据 C IE1931光谱三刺激值 x (K) , y (K) , z (K) 及光源相对光谱辐射功率分布 S (K) 可以求
出光源的三刺激值: X = 2S (K) x (K) $K; Y = 2S (K) y (K) $K; Z = 2S (K) z (K) $K。由此可得, 光源在
C IE1931 色度图上的色坐标为: x = X ?(X + Y + Z ) , y = Y ?(X + Y + Z ) , z = Z ?(X + Y + Z ); 在
C IE1960U CS 均匀色度图上的色坐标为: u= 4X ?(X + 15Y + 3Z ) , v= 6Y ?(X + 15Y + 3Z )。
1141212 在 C IE 1960 U CS 均匀色度图中, 一种光色对应一个点, 当黑体的温度从较低的值逐渐
升温至无穷大时,U CS 色度图中代表黑体光色的色坐标点将会形成一段连续的曲线, 称为黑体色
轨迹。在均匀色度图中, 等相关色温线(以下简称等温线) 是一系列垂直于黑体色轨迹的直线簇。
若等温线的斜率用m 表示, 则它是相关色温值 T 的函数, 记为m = m (T ) , 且有:
m = - 1?d (2)
上式中, d 为黑体色轨迹与该等温线交点(垂足) 处的切线的斜率:
d = dv
du = dv?d T
du?d T = (X Y ′- X ′Y ) + 3 (Y ′Z - Y Z ′)
2 (X ′Z - X Z ′) + 10 (X ′Y - X Y ′) (3)
式中, X , Y , Z 是黑体的三刺激值, X ′, Y ′, Z ′为黑体三刺激值对于黑体温度的导数, 由下式给出:
X ′= dX ?dT = ∫P ′T (K, T ) x (K) dK (4)
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Y ′= dY ?dT = ∫P ′T (K, T ) y (K) dK (5)
Z ′= dZ ?dT = ∫P ′T (K, T ) z (K) dK (6)
其中,
P ′T (K, T ) = dP (K, T ) ?dT = c1 ? c2?(K6T 2) ? ec2?KT ? [ec2?KT - 1 ]- 2 (7)
图4 相关色温计算流程图
P ′T (K, T ) 是 P (K, T ) 对 T 的偏导数。
1141213 利用上面 (2)～ (7) 式, 可以计算出一
系列的等温线的斜率m , 从而可以在 C IE 1960 U CS
色度图中绘制出黑体色轨迹以及它的一系列等相关
色温线簇。
1141214 当已知光源色坐标(u, v) 后, 根据相关
色温的定义, 利用等相关色温线, 便可以计算出光源
的相关色温。一般的做法是采用线性内插法, 这种方
法必须基于如下近似条件: 两等温线之间黑体轨迹曲
线是一段圆弧, 圆心是等温线交点; 两等温线夹角很
小; 倒色温值是沿弧方向上距离的线性函数。
在新的自动光谱辐射功率测控系统程序中, 利用
平面几何的方法直接在 C IE 1960 U CS 均匀色度图
中搜索到最接近光源色品的坐标点 (u, v ) 的等色温
线, 从而得到待测光源的相关色温, 利用这种方法计
算色温的唯一前提是, C IE 1960 U CS 均匀色度图是
真正的“均匀”色空间。相关色温计算的程序流程图如
图4所示。
2 测量结果及讨论
211 自动光谱辐射功率测控系统的重复性
使用同一只参考灯(用99?1?7日黑体标定的值) 对同一只标准灯进行重复标定。测量条件如下:
灯号: 995; 灯距: 1000mm ; 狭缝: 118mm ; 参考灯电流: 31500A ; 测量灯电流: 31336A。测量结果如表
1所示。
从表1中可以看出, 测量灯值的数值的相对标准偏差在所有的测量波长点均不超过1%。在整个
色温度基标准改造过程中, 我们还反复进行过如下实验:
(1) 以不同温度下的黑体为标准重复标定同一只参考灯;
(2) 不同标准灯重复标定同一只参考灯;
(3) 同一只参考灯标定不同的标准灯。
结果表明, 除380nm 等个别测量点由于信号太弱导致相对标准偏差在1% 附近, 其它测量波长
处的相对标准偏差均小于015% , 而且, 随着测量信号的增加, 测量列相对标准偏差有减小的趋势。
其它的测量数据在这里不再一一列出。
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表1 使用同一只参考灯多次标定同一只标准灯的测量结果
波长
(nm ) 380 400 420 440 460 480 500 520
测量(1) 1145E23 2121E23 3118E23 4139E23 5182E23 7149E23 9128E23 1113E22
测量(2) 1144E23 2121E23 3116E23 4136E23 5177E23 7142E23 9122E23 1112E22
测量(3) 1144E23 2121E23 3116E23 4137E23 5179E23 7144E23 9123E23 1112E22
测量(4) 1144E23 2121E23 3117E23 4136E23 5177E23 7142E23 9122E23 1112E22
测量(5) 1144E23 2121E23 3117E23 4136E23 5178E23 7143E23 9124E23 1112E22
测量(6) 1145E23 2120E23 3116E23 4135E23 5177E23 7141E23 9123E23 1112E22
测量(7) 1144E23 2120E23 3116E23 4136E23 5180E23 7144E23 9125E23 1112E22
测量(8) 1144E23 2121E23 3117E23 4136E23 5178E23 7144E23 9124E23 1112E22
相对标准
偏差 0134% 0125% 0122% 0131% 0135% 0133% 0121% 0124%
波长
(nm ) 540 555 560 580 600 620 640 660
测量(1) 1134E22 1150E22 1156E22 1179E22 2101E22 2123E22 2145E22 2167E22
测量(2) 1133E22 1150E22 1155E22 1178E22 2100E22 2123E22 2144E22 2165E22
测量(3) 1133E22 1149E22 1155E22 1178E22 2100E22 2123E22 2145E22 2166E22
测量(4) 1133E22 1150E22 1155E22 1177E22 2100E22 2123E22 2144E22 2166E22
测量(5) 1133E22 1150E22 1155E22 1178E22 2100E22 2123E22 2145E22 2167E22
测量(6) 1133E22 1149E22 1155E22 1177E22 2100E22 2123E22 2144E22 2165E22
测量(7) 1133E22 1150E22 1155E22 1178E22 2100E22 2123E22 2144E22 2166E22
测量(8) 1133E22 1150E22 1155E22 1178E22 2100E22 2123E22 2145E22 2166E22
相对标准
偏差 0123% 0122% 0122% 0124% 0117% 0115% 0114% 0118%
波长
(nm ) 680 700 720 740 760 780 800
测量(1) 2186E22 3105E22 3122E22 3140E22 3153E22 3167E22 3182E22
测量(2) 2186E22 3105E22 3122E22 3138E22 3152E22 3168E22 3178E22
测量(3) 2186E22 3105E22 3121E22 3137E22 3152E22 3166E22 3181E22
测量(4) 2186E22 3105E22 3121E22 3139E22 3153E22 3165E22 3179E22
测量(5) 2187E22 3105E22 3122E22 3139E22 3153E22 3166E22 3182E22
测量(6) 2187E22 3105E22 3122E22 3138E22 3153E22 3166E22 3178E22
测量(7) 2186E22 3104E22 3121E22 3138E22 3152E22 3166E22 3179E22
测量(8) 2186E22 3105E22 3122E22 3138E22 3153E22 3166E22 3180E22
相对标准
偏差 0116% 0113% 0118% 0128% 0114% 0128% 0146%
212 讨论
在这次国家色温度基标准改造过程中, 我们不但给出标准灯的相关色温, 同时还给出了该灯的
分布温度。主要原因在于: 我们知道, 象白炽灯这类光源, 不仅它的光色与某一温度下的黑体相同,
而且它在可见波长范围内的相对光谱功率分布也和某一温度下的黑体近似相同, 为了表征某些光
源在一定波长范围内的相对光谱功率分布, 引入了分布温度的概念。按C IE 规定, 分布温度的定义
是: 在某一波长范围内[K1, K2 ], 如果一个光源发出的辐射与某一温度下的黑体有最接近的相对光
谱功率分布, 那么, 此时黑体的绝对温度就叫做该光源在该波长范围内的分布温度。分布温度的数
学表达式为:
A (a, T ) = ∫K2
K1
1 - E (K)
aP (K, T )
2
dK (8)
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其中, E (K) 是被测光源的相对光谱辐射功率分布; P (K, T ) 是黑体的光谱辐射功率分布; a 是一个
调整函数, 选取适当的 a, T 的值, 可以使得上式的积分值为最小, 此时的 T 即为所求的被测光源的
分布温度值。
值得我们注意的是:
(1) 分布温度不涉及人的任何生理特征, 因而是一个纯粹的物理量。它不仅在可见有意义, 用在
紫外及红外都可能有意义。而相关色温的定义中包括了人眼的视觉特征, 是相对于标准的色觉观察
者而言的, 因此相关色温只在可见区有意义。
(2) 不同的色品可能存在于同一条等色温线上, 也就是说, 相关色温相同的光源并不意味着色
品相同。光源色品测量过程中存在同色异谱现象, 也就是说, 即使光源具有相同的色品, 也并不意味
着光谱分布相同。
(3) 实际广泛应用的双波段测色温法, 就其本质而言, 与其说是测色温, 不如说是在测光源的分
布温度, 只不过对于钨灯来说, 其相关色温与分布温度近似相等。
(4) 一般地讲, 光源的分布温度在相当程度上表征了光源的相对光谱辐射功率的分布, 而相关
色温与光源的相对光谱辐射功率分布相关性较之分布温度要小的多。事实上现在很多用户在使用
色温标准灯时, 经常是参照它的光谱辐射功率相对分布的。
基于上面这些考虑, 在自动光谱辐射功率测控系统软件中除了计算出光源的相关色温, 同时也
计算了光源的分布温度。
3 结语
新的自动光谱辐射功率相对分布测量与控制系统全部实现了自动化, 运行稳定、可靠, 其波长
扫描停靠误差< ±0120~ , 系统重复测量的相对标准偏差< 1% , 数据处理功能丰富, 顺利完成了新
国家色温度基准的建立。
由于色温度的讨论仅限于可见光范围, 因此, 新测控软件只用于380—800nm 范围内, 但只要
稍加改动, 该系统即可运行于250—2500nm 的范围内, 可用于光谱辐照度、光谱辐亮度的测量。
参 考 文 献
1 郝允祥, 陈遐举, 张保洲. 光度学. 北京: 北京师范大学出版社
2 荆其诚. 色度学. 北京: 科学出版社
M easurem ent and Contro l in the N ew N ational
P rim ary Standard of Co lo r Temperature
L i Gaofeng Zhang Baozhou
(Beijing No rm al U niversity, Beijing 100875)
Yu J ialin
(N ational Institute of M etro logy, Beijing 100073)
A bstract: A new autom ated spectro2radiom etric calibration system is used to establish the new
national p rim ary standard of co lo r temperature. The m ethod fo r calculation of the co rrelated co lo r
temperature w ith chrom atic coo rdination is mo re accurate than the traditional interpo lation
m ethod. The characteristics of co lo r temperature and distribution temperature are also discussed.
Key W o rds: spectral pow er distribution, autom ated spectro2radiom etric calibration system , co lo r
temperature, distribution temperature
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