測量350～1 100 nm 光源光譜總輻射通量的標(biāo)準(zhǔn)裝置

趙偉強，劉 慧，閆勁云，蘇 穎，姜 琳

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

引言

光譜總輻射通量是光源全空間輻射通量的光譜密集度，是描述光源發(fā)光特性的量值之一。新型的帶有光譜輻射計的積分球裝置(以下稱積分球光譜輻射計)使用量日益增長，使用該測量裝置可以測量光源的光譜輻射總通量量值，并計算出相應(yīng)的光度值和色度值。操作過程簡單快捷。特別是測量非國際照明委員會(CIE)標(biāo)準(zhǔn)A光源(例如LED、節(jié)能燈)，無需進行探測器的視覺函數(shù)失配修正，相對于傳統(tǒng)的配用硅探頭的球形光度計具有一定的優(yōu)勢[1，2]。積分球光譜輻射計需使用光譜總輻射通量標(biāo)準(zhǔn)燈定標(biāo)，這對計量量值體系提出了新的要求。為此，中國計量科學(xué)研究院進行了光譜總輻射通量量值復(fù)現(xiàn)和量值傳遞技術(shù)的相關(guān)研究[3，4]，建立了350～1 100 nm光源光譜總輻射通量測量標(biāo)準(zhǔn)裝置，實現(xiàn)了光譜總輻射通量量值的復(fù)現(xiàn)(絕對測量)和快速傳遞(相對測量)。本文將介紹積分球光譜輻射計的組成原理，討論該裝置的定標(biāo)方法、量值傳遞過程，并給出測量結(jié)果不確定度評估的實例。

1 積分球光譜輻射計基本結(jié)構(gòu)和原理

積分球光譜輻射計裝置一般包括光譜輻射計、光度計、積分球、控制計算機等，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 積分球光譜輻射計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Structure of spherical spectroradiometer

積分球的大小可根據(jù)被測光源的尺寸進行選擇，一般直徑為1.0～2.0 m，內(nèi)部均勻地涂有反射率約為90%的漫反射涂層。擋屏位于光源和探測器D1、D2連線的中間位置，用于遮擋光源發(fā)出的光直接照射到探測器上。D1是硅光度頭連接光度計；D2是輻射照度收集頭，通過光纖把所收集的光線導(dǎo)入至光譜輻射計。探測器采集的光電信號傳輸至計算機，并由計算機通過程度計算出被測光源的光譜總輻射通量、光通量、發(fā)光效能、色品坐標(biāo)、色溫等。

根據(jù)積分球理論[5，6]，位于積分球內(nèi)部的光源在球壁內(nèi)部形成的光譜輻射照度Ee(λ)正比于光源所發(fā)出的光譜總輻射通量Φe(λ)，見式(1)。

(1)

其中k(λ)表示兩者之間的系數(shù)。

采用比較法，用積分球光譜輻射計測量被測燈的光譜總輻射通量值。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜總輻射通量為Φstd,e(λ)，被測燈的光譜總輻射通量為Φtest,e(λ)，所測得的光電流分別為Rstd,e(λ)和Rtest,e(λ)。Cabsp(λ)是兩者因形狀差異帶來的吸收修正系數(shù)。被測燈的光譜總輻射通量測量值計算原理可以用式(2)表示。

(2)

點燃輔助燈，經(jīng)充分預(yù)熱，控制電參數(shù)，保持發(fā)光穩(wěn)定狀態(tài)，分別安裝標(biāo)準(zhǔn)燈和被測燈在積分球中心位置，測量相應(yīng)的光電讀數(shù)Rstd,aux(λ)和Rtest,aux(λ)，按照式(3)計算吸收修正系數(shù)。

(3)

2 測試步驟和過程

2.1 設(shè)備預(yù)熱

測量前，在積分球內(nèi)點燃一支和被測燈功率接近的普通燈，烘烤球壁除去潮氣；同時預(yù)照光譜輻射計，使其響應(yīng)度穩(wěn)定。預(yù)照時間一般為30 min。

2.2 光譜輻射計的參數(shù)設(shè)置

設(shè)置光譜輻射計的參數(shù)，選擇合適的量程和波長范圍。采用陣列式電荷耦合器件(CCD)的光譜輻射計，設(shè)置光衰減片和積分時間，或者設(shè)定為自動量程，使得最大信號為滿量程的80%左右。工作的波長范圍根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燈和被校燈的光譜范圍確定，如350～1 100 nm。對于變化緩慢的寬光譜光源，間隔應(yīng)小于或等于5 nm。對于準(zhǔn)單色光源(如LED)或者帶窄光譜譜線的混合光譜光源(如熒光燈)，間隔應(yīng)小于或等于2 nm。

2.3 積分球光譜輻射計的定標(biāo)

積分球光譜輻射計的定標(biāo)有兩種方法。第一種方法采用1只標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)定校準(zhǔn)裝置的光譜總輻射通量光譜密集度常數(shù),用另外2只標(biāo)準(zhǔn)燈驗證。第二種方法采用3只標(biāo)準(zhǔn)燈的平均值定標(biāo)校準(zhǔn)裝置的光譜總輻射通量光譜密集度常數(shù)。

1)定標(biāo)驗證法。按照規(guī)定方式點燃光譜總輻射通量標(biāo)準(zhǔn)燈，讀取光譜輻射計相應(yīng)波長點光譜響應(yīng)值mstd,1(λ)。該標(biāo)準(zhǔn)燈在相應(yīng)波長點的光譜總輻射通量值為Φstd,1(λ)，則得光譜總輻射通量的光譜密集度常數(shù)為

(4)

(5)

δi(λ)反映了燈組內(nèi)各只燈的量值一致性和系統(tǒng)的測量重復(fù)性，應(yīng)滿足表1所示的要求。若用于驗證的標(biāo)準(zhǔn)燈光譜總輻射通量標(biāo)準(zhǔn)值和測試值偏差值超過給定值，應(yīng)重測或更換標(biāo)準(zhǔn)燈，并重新對系統(tǒng)進行定標(biāo)操作，并重復(fù)前述的驗證過程，直至偏差值小于給定值。

表1 標(biāo)準(zhǔn)燈光譜總輻射通量一致性要求Table 1 The consistency requirement of the total spectral radiant flux

2)平均值法。規(guī)定方式分別依此點燃定標(biāo)用的光譜總輻射通量標(biāo)準(zhǔn)燈。在選定的波長點測量光電讀數(shù)為mi(λ)(i=1,2,3)。該標(biāo)準(zhǔn)燈在相應(yīng)波長點的光譜總輻射通量值為Φstd,i(λ)(i=1,2,3)，則波長點λ的光譜總輻射通量常數(shù)是每支標(biāo)燈對應(yīng)通量常數(shù)的平均值，即式(6)及式(7)。

(6)

(7)

(8)

2.4 測量及數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)定標(biāo)后，測量被測燈時獨立裝調(diào)并測量讀數(shù)兩次。測量所得第1,2次被測燈的光譜輻射計的光譜光電流讀數(shù)是mtest,j(λ)(j=1,2)，則第1,2次被測燈的光譜總輻射通量見式(9)。

Φtest,j(λ)=K(λ)mtest,j(λ)Cabsp(λ)(j=1,2)

(9)

兩次獨立測量的偏差不應(yīng)大于0.5%。若偏差大，應(yīng)進行第3次測量或更多次測量。剔除離散值后重新計算偏差，直至偏差小于上述給定值。

該被測燈光譜總輻射通量結(jié)果為剔除離散值后兩次測量的平均值，見式(10)，即

(10)

3 不確定度評估

使用三支標(biāo)準(zhǔn)燈光譜總輻射通量光電常數(shù)定標(biāo)光譜輻射計，被測燈光譜總輻射通量按式(11)計算。

(11)

按標(biāo)準(zhǔn)燈和被測燈均是24 V 100 W的鹵素?zé)?，?50 nm、380 nm、555 nm、780 nm和1 100 nm處，各不確定度評估值見表2。

表2 光譜總輻射通量不確定度評估表Table 2 The evaluation table of the uncertainty of the total spectral radiant flux

4 實驗驗證

圖2 燈組的350～1 100 nm光譜總輻射通量常數(shù)相對偏差Fig.2 The of the 350～1 100 nm light source

5 結(jié)論

我們建立了一套用于測量350～1100 nm光譜總輻射通量的積分球光譜輻射計標(biāo)準(zhǔn)裝置，并用相對比較法實現(xiàn)光譜總輻射通量量值從標(biāo)準(zhǔn)燈至被測燈的快速傳遞。經(jīng)實例評估，該積分球光譜輻射計在350～1 100 nm的擴展測量不確定度為Urel=3.1%～1.3%(k=2)，與國際先進計量機構(gòu)報道的擴展測量不確定度的最新水平相當(dāng)。