概括说来，本发明涉及采用光学抽样技术对于重复性或间歇性变化的脉冲光源的光谱强度和时间特性进行电子学测量的系统，而作为光谱强度测量的副产物，也可测量重复性脉冲光源的频率。 对在规定时间之内间歇性或重复性脉动光源的光度学亮度或颜色进行测量，常常需要用特种技术来确保精度。这样的光源包括有荧光灯、氙灯、阴极射线管屏，以及那些总的说来对观察者似乎具有固定强度，但在实际上比人的感官所能感觉快的脉动着的光源。
最简单的方法，是对于非常大量（即100或者更多个）周期或脉冲的亮度频率测量进行积分，或者取平均值。然而这种方法可能是非常费时的，特别是假如脉冲的重复速率很低时;而县如果不论脉冲幅度、脉冲重复速率还是环境光强或频率都不固定时可造成误差。
另一种技术是让电子光源与电子测量仪器（可以是光度计、辐射计、分光辐射谱仪或色度计）同步，以使正好为整数个（N＝1，2，3，4等等）脉冲被测量。这种技术实现起来要复杂得多，通常需要在开始测量之前先了解该光源的时间特性，而且如果不能正确地执行，则很容易发生大量错误。
假如测量仪器不能准确地与光源同步，那么就会出现某些误差。“最坏情况”的例子，将是试图测量光的同步单脉冲的多通道阵列分光辐射谱仪。根据光脉冲与分光辐射谱仪中光电检测器阵列之间的定时，当某些或者全部的各个光电检测器不能立即接收到光时，将会从这些光电检测器中产生错误的低读数，它会给测量数据带来大量误差。
有三种用于测量交流或脉冲光源的主要技术，这就是：对于许多周期的测量进行积分;使测量电路与光源的定时同步，以及采用阈值-检测电路。
对于许多周期的测量进行积分，是最简单的技术，并且包括对于非常大量（100或者更多个）周期或脉冲进行积分。然而如果重复率在该时间内是很低时，那么这种方法可能要花费大量时间。如果不论脉冲幅度、脉冲重复率还是外界光强都不固定时，这种技术还可造成误差。此外，在高亮度脉冲光源地情况下，该方法还需要使用光学衰减器，它可将误差带给测量。
使测量电路与光源的定时同步，需要安装和接通电子电路，以便使光源与测量仪器同步。这种技术实现起来要复杂得多，通常需要在开始测量之前先了解该光源的时间特性，而且如果不能正确地实现，则易于发生大量误差。
阈值-检测电路，被应用在某些低精度的单一脉冲或者闪光灯的曝光表中。这种电路先对光脉冲的前沿进行传感，然后接通测量系统。该方法的优点在于，并不需要实际接在该光源上。然而，由于光脉冲的第一部分未被测量，其结果必然是有少量误差的。在精密分光辐射谱仪中，尤其是假如该测量系统是由多通道阵列组成并要求更精确的同步时，此误差可能特别大。
本发明相对于已有技术来说具有许多优点，其中包括：
与采用对大量周期的光进行积分的系统相比，本发明的测量时间要短一些，因而解题能力（throughput）就高一些。在高亮度脉冲光源的情况下，这种新方法更加精确，因为它并不需要使用能将误差带入测量的光学衰减器。
与需要同步电路的系统相比，本发明的系统容易实现，它并不要求任何人设计及安装电子同步电路、接口等。它也并不需要在开始测量之前对光源的波形、频率或极性有任何了解。此外，本发明并不要求在光源和测量仪的之间有任何导线或其它实际连接物。
本发明远比采用阈值检测电路的系统更精确和可靠，因为每个光脉冲的整个周期都是精确测定的。
对于已有技术来说，本发明的额外优点是，能使该仪器对光源进行精密测量，例如：假使在一个测量周期内频率发生了变化，譬如下列情况，如果在测过程中，不论是交流光源的频率改变还是光源和测量装置实际上发生了相对运动;或者假使交流光源受到了不同频率的环境光的干扰，该仪器都能够显示出“错误信息”。
本发明的目的在于提供一种精密测量装置，用来测量间歇性或者重复性的脉冲光源，而不需要对大量脉冲周期进行积分，以便节省时间（提高解题能力）。额外的目的是对少量周期进行测量。
本发明的一个目的，是容许在光的峰值强度上对重复性脉冲光源进行测量。
本发明的进一步目的是容许进行这种测量，而不需要予先了解此重复性脉冲光源或与其客观上同步。
本发明的附加目的，是对重复性脉冲光源的脉冲之间的周期进行测量。
本发明更进一步的目的，在于提供一种能够确定随时间变化的光源的重复速率或者交流频率的仪器。
本发明提供的装置，能够检测及测量脉冲入射光线的强度，并使这种光强的测量在脉冲持续时间内同步。具有特征性的实例，是对荧光灯的光强进行测量。荧光灯的光输出幅度，是由60周的交流电源产生脉动的。测量必须在整个光周期内进行。（附注：每个交流周期都有两个周期，一个是在该周期的正行进部分时，另一个在该周期的负行进部分时。）
图1为零级多色仪光抽样用的光学系统图;
图2为反光-观察者分束镜光抽样用的光学系统图;
图3为数学控制振荡器方框图;
图4为数字相位比较器方框图;
图5为数字锁相环的数字控制振荡器部分的时标图;
图6为同步检测器方框图;
图7为同步检测器电路简图，以及
图8为表示数字锁相环工作的流程图。
本发明属于对间歇性或重复性变化的脉冲光源的光强特性进行光学抽样及电子测量用的系统。该系统的电子输出，可被用来显示有关该光源的光谱强度以及时间特性的数据，而且还可被用来确保该光源与辅助测量系统（诸如多路分光辐射谱仪或者光谱色度计）之间适合的同步。
本发明将按照它的两个主要子系统进行描述，即：
用来获得光源抽样的光学系统，以及
用来测量和显示光源的光谱强度特性并将同步信号提供给辅助测量系统的电子学系统。
光学系统
当在光学仪器中为了不同的目的利用大部分主光束时，已知有许多为测量目的获得光源输出抽样的方法。例如在单镜头反光摄影机中，通常使用的方法包括：
在反光取景器中对透过分束镜的光束进行抽样;
在取景器的周围放置若干光电传感器，以及
对由胶片反射回来的光进行读出。
本发明最佳实施例的主要应用，是一种精密的多路阵列分光辐射谱仪，而且本发明的基本结构，可引出这类分光辐射谱仪独特属性的优点。如在图1中可看到的那样，进入“多色仪”12的光，由衍射光栅14反射为若干“光谱级”，其中最高的一级被用来照射测量用的光电检测器阵列16。由衍射光栅14出来的基本反射，称之为“零级”反射，可以是入射光束的非单色光（白光）抽样，而且通常均被废弃不用，因其对分光辐射谱测量带来干扰。然而在本发明最佳实施例的第一种结构中，此“零级”反射被用于提供被测光束的精确抽样，而且一个很小的高速光电检测器18（诸如硅光电二极管或者光电晶体管）插在该多色仪中，使其被该“零级”白光束照射。该光电检测器被用来给电子电路提供电信号。电荷耦合器件（CCD）为基础的光电检测器或者其输出与入射光强成正比的其它光电检测器，都是可以接受的。
另一种结构表示在图2中。这种结构对于多路阵列的分光辐射谱仪并不是唯一的，所以它能用在任何种类的光度计、辐射计、分光辐射谱仪或色度计中。在此第二种结构中，高速光电二极管20，在典型测量仪器（例如PRITCHARD”光度计24）的反射光观察系统中，被装在分束镜22的后面。在这个位置的光电二极管，接收处在光束中心或靠近该中心的光抽样。
为使多路阵列检测器〔例如网状（reticon）或者类似阵列〕能与重复性脉冲光源精确同步，此脉冲序列的频率和相位必须准确地知道或测出来。
完成这种功能的最简单的电路，乃是传统的模拟锁相环。该电路的输入，将是来自光抽样用的高速光电二极管18或者20的信号。这种模拟锁相环由模拟相位检测器构成，并经过低通滤波器馈送给电压控制振荡器。然后将此信号反馈给相位检测器。以使该锁相环稳定。对于这类电路存在的问题，在于它被局限在约为2∶1的频率范围。而且还由于采用了许多模拟元件，所以电路是庞大的，具有很高的功率消耗，并且由于模拟漂移为时间和温度的函数，故是靠不住的。但是模拟锁相环的基本问题在于，由于需要模拟低通滤波器而限定了其可被锁位或锁定的频率的范围。
对于传统的模拟锁相环所作的改进，乃是数字锁相环。这要靠使用可编程的“除M”计数器来提供更大的范围。但遗憾的是，这些电路也还是庞大和复杂的，而且需要模拟低通滤波器，并在开始测量之前需要知道光脉冲的频率，以便操作者能够正确地设定“除M”计数器。
本发明的电子系统，称之为“数字锁相环”（DPLL）系统，它在开始测量之前并不需要对光脉冲的频率有任何了解，而且也不要求任何人参于设置计数器。它在超过10∶1的整个频率范围内，能够或者自动地设置它本身。此外，它是紧凑的，具有低的功率消耗，并且由于没有不稳定的模拟部件，故是可靠的。另外，该系统还适于为操作者显示涉及光源频率以及频率变化（它可提示“错误信息”）的信息的易读数字显示。
此DPLL系统由硬件和软件组成，以方框图的形式表示在图3中。光抽样用高速光电二极管18或20的输出，被馈送给同步检测器30。此同步检测器的输出，被馈送给“除2”计数器32，后者用来将这些通常遇到的变化限定在光源波形的两个半周期之间。例如，将60周的电压输入荧光灯，结果得出120周的光输出信号，其中的两个半周期一般都是有点差别的。然后将此“除2”计数器的输出送给数字相位比较器34。该比较器系由硬件和软件构成。此数字相位比较器的软件输出之一，是一种所谓的“△DCO”（即“△-D.C.O”）信号，它是脉冲光源和多通道检测器阵列的扫描频率之间相角变化的量度，以DCO增量时钟频率的整数（整数或整个数）单位表示。“△-D.C.O.”可由下式算出：
△DCO等于 (Tn-T(n-1))/(M) 的整数绝对值;其模数为1。
其中Tn-对于第n个脉冲周期测得的光电检测器的扫描时钟和脉冲光源之间的相位差;
T（n-1）-对于前述第（n-1）个脉冲周期测得的相位差;
M-传统的模拟锁相器中的低通滤波器的结构常数。
因此，当光源的脉冲频率（乘2）与光电检测器的扫描频率相同时，“△-D.C.O.”将等于零;当两个相接连的脉冲之间的时间周期差超过“M”的值时，将为大于零的正值。此“△-D.C.O.”软件信号被送给数字控制振荡器38，在此被用来改变该振荡器的频率。此数字控制振荡器的输出，首先通过“除2”计数器40，然后在其被反馈给相位比较器34之前通过“除K”计数器，以同入射光信号的频率相匹配。“K”是一个常数，它与多通道检测器阵列16中的元件个数有关。只通过“除2”计数器的数字控制振荡器输出，被用来驱动该多通道检测器阵列16。
根据测得的脉冲光源和光电检测器之间相位差对数字控制振荡器的频率进行改变的结果，是使光电检测器的扫描频率不得不逼近脉冲光源的频率，从而达到确定的相位锁定。
此唯一的相位比较器，详细表示在图4中。本发明所述的数字锁相环（DPLL），不同于模拟锁相环（APLL）以及其它一些带有模拟控制振荡器的DPLL在于，它能根据连续控制信号（通常皆为电压，因而为“电压控制振荡器”）取连续范围的值。从理论上说，上述系统能将输入频率准确地匹配到所需要的任何程度，只受漂移的支配，而且从理论上说，这种漂移可由其内部锁相伺服系统自动进行调节。然后当本发明的DPLL不存在时，这些系统将分别局限在它们能够处理的频率范围内。
本发明所述DPLL的数字控制振荡器（DCO），仅能取离散（整数）值，因而仅能逼近输入频率。这种逼近是靠改变数字控制振荡器，从它的高于输入频率的最接近频率到低于输入频率的最接近频率而自动实现的，因而长期平均值必须趋近精确的输入频率。
在输入频率无须进行精确匹配而只须逼近的场合，本发明的DPLL是有用的。例如在使用多通道阵列光电检测器的分光辐射谱仪或者光谱色度计中，频率匹配误差为数字控制振荡器的增量周期乘以2K因子，其中“K”为与多路检测器阵列中的元件数有关的常数。在本发明中使用的128个元件的光电检测器阵列的具体情况下，K等于132。在这种情况下，此误差等于0.03125微秒乘以二倍的132，即等于8.1875微秒。此误差可以通过减少数字控制振荡器的增量周期或者减少K值（假如可能的话）来降低。
该电路的定时图，表示在图5中。随着软件使FF3信号50复位降低而将“PHI5”信号52降低，“PHI4”信号54的上升沿开始测量相位（“TIO”信号56）。“PHI4”信号是从多路光电检测器的扫描频率得到的，而且具有与其相同的周期。“VSYN2”信号58的上升沿结束相位测量，从而产生出“TIO”信号，其所具有的脉宽与PHI4和VSYN2之间的差（即相位角）成正比。“VSYN2”信号58，是在该光学仪器中通过同步检测器和“除2”计数器之后从抽样用的光电检测器得到的。此“VSYN2”信号的周期，等于被测的光输入信号周期的两倍（例如对于100周的光频率为20ms）。
如在图6中表示的那样，本发明的同步检测器，是由耦合在比较器252上的对数放大器250构成的，比较器252的作用如峰值检波器，随后是再触发单脉冲装置254。此信号然后通过一个二分频网络，并作为数字相位比较器的输入。
本发明的对数放大器，包括一个差分放大器256，它在该最佳实施例中就是AD744。虽然本装置的差分性能在本结构中并未被利用上，然而选择适当的光电检测器，可以使用差分放大器或者象视频放大器电路之类的双差分放大器。在此对数放大器后级的是带通滤波器258，它设定为使10周到1千周范围内的频率通过。然后将滤波后的信号送入过零检测器252，它主要是由比较器260（例如LM311）构成。假如象视频放大器之类的双差分装置被用在第一级的对数放大器位置，那么仍可以使用LM311，但将被设定为既要驱动LM311的正输入又要驱动其负输入。本发明另一种可供选择的实施例，可以由峰值检波器或者其后接有差分器和过零检测器或等效电路的放大器组成。
然后将过零检测器252的输出送入低通滤波器262，后者包括一个可再触发单脉冲装置264，其在此最佳实施例中就是74HCT221。单次触发的目的，是为了滤掉可能作为过零检测器输出的高频分量。这个信号随后驱动数字相位比较器，再由其驱动数字控制振荡器。
在本发明的实施中，图4中以TIO表示的信号是一个方波，其中光电检测器信号和DCO的脉冲之间的相位差，与出现在TIO上的脉宽成正比。然后将此信号TIO送入计算机辅助系统和程序（process），测出脉冲TIO相对于计算机的时钟频率的宽度，并在前面给出的公式的基础上得出△DCO的值。随后让此△DCO信号驱动数字控制振荡器38的输入。
本发明的数字控制振荡器进一步包括一个十三位保持寄存器，随后由其驱动一个并行可装入减法计数器。此十三位保持寄存器，首先被装入的是低八位，然后是来自计算机辅助系统和体现数字相位比较器程序（process）的高五位。此减法计数器时钟为32MHz，而且其输出被二分频以得出PX时钟信号。然后将此PX时钟信号回馈给多通道检测器阵列16，在此被用作主时钟。
多通道检测器阵列包括一些不连续数的单个的光电检测器，其在最佳实施例中是128个单独的光电检测器。多通道检测器阵列能够在该阵列中为这些单独的光电检测器提供序贯扫描，并且对每个时钟信号每次加1。用于驱动此多通道检测器阵列的时钟信号，就是PX时钟。此多通道光电检测器阵列，能为被扫描的特定的光电检测器元件提供模拟输出。该模拟输出作为输入提供给模-数转换器，并在此处将其值送入计算机存储和以随后处理。
本设备的目标是带有能与模拟测量电路同步的数字时钟PX时钟，以使模拟测量能够在光源准确的整数脉冲内进行。
包括数字相位比较器在内的计算机辅助系统和程序，将在图3和8中进一步描述。计算机辅助程序在TIO的下降沿开始，当处理器宣告相位测量已经在112完成时。此处理器在114首先重新设置程控定时器，以便检测失去的相位信号，并且避免锁定该处理器。然后在116由该处理器检查，看看此中断是否可由软件执行。如果该中断不能由软件执行，则处理器将跳跃到程序的末尾200，然后，在202将清除该硬件请求中断的触发器，并在112等待下一个中断信号。
当在120中断通常总能由软件执行时，该处理器将着手进行下一步，在该步122中由其测量TIO的相位。此相位角计数器本身为32位长，而且是由硬件寄存器和软件记数器中得出的。通过对TIO有效期间内的脉冲数进行计数，便能测出TIO的持续时间。由于TIO的持续时间与该系统的时钟（PX时钟）和同步检测器之间的相位差成正比，所以能够产生出代表同步性的有效数值。
鉴于该处理器必须将相位的现行值同该相位即时的过去值进行比较，而且只能进行一次测量，所以该处理器要为下一次相位测量124而设定。在这一点126该处理器将试图确定，它是否力求达到或保持相位锁定。假如在128该处理器并不力求达到相位锁定，那么该处理器将继续执行到该程序200的末尾，在202清除中断硬件的触发器，并且等待下一次中断。当只进行一次相位测量时，这通常都会发生。
假如在130该软件确定它力求达到或者保持相位锁定，那么在132它将把本相位期间计数出来的时钟脉冲数同即时的上述读出期间计数出来的时钟脉冲数进行比较。如果在134本次计数小于先前的计数，那么该处理器就将确定，新的相位大于老的相位，而且检测器的周期太快140。如果在136新的相位小于老的相位，那么在138该处理器就将确定，该检测器的周期太慢。
无论绝对相位差是否设置在正值还是负值，随后在142该处理器都将确定由相位差除以16.5的DCO差。这样就将保证所利用的是DCO除数单位（0.5μs）的整数。如果相位差小于16.5，那么DCO差将被置0。此条件出现在当实现同步时，采取这一步骤的目的，是为了减弱反馈回路，以使如果这些变化在同步上造成非常大的影响时，则可避免该电路使DCO时钟改变，但是其本身还会将误差引入程序中。
如果146时DCO差的绝对值不大于“0”，那么在178该处理器将继续处理程序。如果它大于“0”，那么该处理器在148将检查，看看DCO差的绝对值是否大于“20”。这是该反馈网络的另一衰减部分，被用来使该系统避免在任一周期内使DCO产生非常大的改变，以防止所谓的寄生振荡性;假如对该反馈回路衰减不足或者是处于临界阻尼，则将会发生寄生振荡。
如果在152DCO差的绝对值大于“20”，那么在154该系统将把DCO差值变化限制在最大为“20”。如果在150DCO差的绝对值不大于“20”，那么该系统。将容许采用DCO差的实际值。在这一点上，该系统在156将DCO差作为计算结果加以存储，以为跟在下一个顺序中断之后的下一个周期内使用。
该处理器下一步在158检查，看看该值是否在予先建立的高限和低限内。当光的周期一开始测定时，这些高低限度是计算出来的。如果在162该值处在高低限度内，那么在164该处理器就用本测量的减法计数值来设置此数字控制振荡器。然后该处理器继续进行到步骤178。
如果160时该值不在此高低限度内，那么该处理器在166将已经超出除数的调节值允许范围。这种所用的特定分配器调节值是互不相同而设置的，这种不同取决于光源是可变的还是不变的。即使该处理器确定它已经超出除数的调节值允许范围，它将要检查看一看相位锁定是否已经在168完成。如果相位锁定已经在172完成，那么该处理器的锁相在174从此而失去。然后该处理器将使相位锁定程序再初始化。如果在170相位锁定仍不能完成，那么该处理器于176将在适当高或低的限度下设置DCO除数的值，并继续进行到方框178。
方框178检查看一看相位锁定是否已经完成，而且DCO的变化是否为较小的一个。假如该变化在180较大，那么在194该处理器将开始寻找两个相邻的小的DCO变化周期，并将低的DCO差标志置假（零）。如果相位锁定已经完成，而且DCO变化比较小，即在182DCO差小于或等于“1”，那么该系统在184将进一步检查，看一看是否存在着具有小的DCO变化的两个相邻的测量值。如果在188存在着具有小的DCO变化结果的两个相邻的相位测量值，那么该处理器在190使相位锁定完成。
如果不存在由小的DCO变化造成的两个相邻的测量量，那么该处理器将让低差的计数器加“1”。在这一点196该处理器将进行检查，看一看相位锁定是否达到，而且数字控制振荡器的变化是否大，即大于“10”。在198如果DCO的变化大，那么该处理器将判明相位锁定失去，并将锁相指示器置假。在这一点200该处理器将结束程序，在202清除硬件中断触发器，并从中断请求返回（在这一点112，该处理器准备在TIO的下一个下降沿接收下一次中断）。
当对脉冲光进行测量时，测量开始在相位锁定完成之后，如果在八次测量期间失去相位锁定，那么该测量就是异常的过程。
在此描述的本发明，在任何精密的光度计、辐射计、分光辐射谱仪或者色度计中都是有用的。它也可用作“独立”光脉冲频率测量计。它在抽象测量分光光度计中也是有用的，在这种情况，它能对内光源进行监测，以判断它的频率是否变化，或者此内光源是否受到外部光源的干扰。
本发明在多通道阵列的分光辐射谱仪中特别有用。它的第一个具体实例，是用作多通道阵列的分光辐射谱仪、光度计和色度计。
前面已经对用于重复脉冲光的新的光谱强度测量系统作了描述，它包括用于抵消重复速率变化的影响和测光仪器变化的影响的装置，所根据的是前面描述的本发明的原理。这些变化可能是由使用单一光电检测器造成的。该光电检测器可以是光敏晶体管、光电二极管、电荷耦合器件或者其它光敏器件。衍射光栅也可由棱镜或者其它能将入射光线分离为光谱成份的物体来取代。同步检测器中的对数放大器，可以由线性放大器、差分放大器或者双差分放大器替代。同步检测器的峰值检波电路，可由差分器和过零检测器或诸如此类的电路替代。数字相位比较器可被改进为包括门电路和/或触发器，或者可被一起排除而采用软件程序，以便直接测量同步检测器的输出和数字振荡器之间的时间差。该软件可以按改变减弱效果、改变测量方法或改变任一常数的许多方式来实现。具体说来，该软件可以改变，以让它跟踪其频率在很宽范围内变化的光源。数字控制振荡器可以由加法计数器替代，或者也可用在本发明的微处理器部分，以便不再需要单独的器件。
本领域技术人员，这就能从上述实施例中作出许多应用和变更，但未离开由实例描述而不是由下述权利要求限定的本发明原理。