光譜輻射亮度國(guó)際比對(duì)與結(jié)果分析

代彩紅， 王彥飛， 吳志峰， 李 玲

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029)

1 引 言

光譜輻射亮度是光學(xué)領(lǐng)域的重要基本物理量之一，廣泛應(yīng)用于氣候變化、對(duì)月觀測(cè)、對(duì)地觀測(cè)、航空航天、海洋水色、光輻射安全等領(lǐng)域[1～5]。

為光譜輻射亮度測(cè)量提供最高量值溯源標(biāo)準(zhǔn)的我國(guó)的光譜輻射亮度基準(zhǔn)裝置建于1975年，分別于1989年、2000年完成了第1次和第2次基準(zhǔn)裝置的能力提升，2011年建立了基于BB3500 M高溫黑體輻射源的第四代光譜輻射亮度國(guó)家基準(zhǔn)裝置，波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至220～2 550 nm，測(cè)量不確定度得到較大改善。

歷史上共有兩次光譜輻射亮度國(guó)際比對(duì)。1989～1990年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)和俄羅斯全俄光學(xué)物理計(jì)量院(All-Russian Research Institute for Optical and Physical Measurements，VNIIOFI)進(jìn)行了240～2 400 nm的光譜輻射亮度雙邊比對(duì)。在240～800 nm，兩院的發(fā)散為0.5～1%，在900～2 400 nm，兩院的發(fā)散小于0.5%[6]。

1999年，國(guó)際計(jì)量局組織了光譜輻射亮度國(guó)際輔助比對(duì)CCPR-S1。俄羅斯VNIIOFI為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，法國(guó)計(jì)量院(Bureau National de Métrologie/Institut National de Métrologie，BNM-INM)、美國(guó)NIST、加拿大計(jì)量院(National Research Council of Canada，NRC)和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB)參加了比對(duì)。2008年7月發(fā)布比對(duì)最終報(bào)告。VNIIOFI、NIST和PTB參加了 220～2 500 nm全波長(zhǎng)范圍的比對(duì)，BNM-INM和NRC分別參加了300～2 500 nm和400～800 nm波長(zhǎng)范圍的比對(duì)。在220～400 nm波長(zhǎng)范圍，VNIIOFI、NIST和PTB與國(guó)際參考值的平均相對(duì)偏差分別為0.30%、0.23%和0.34%。在300～2 500 nm 波長(zhǎng)范圍，VNIIOFI、NIST、PTB和BNM-INM與國(guó)際參考值的平均相對(duì)偏差分別為0.35%、0.61%、0.52%和1.30%。NRC在400～800 nm波長(zhǎng)范圍與國(guó)際參考值的平均相對(duì)偏差為0.70%[7]。

采用新基準(zhǔn)裝置，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(National Institute of Metrology，NIM)參加了第3次光譜輻射亮度國(guó)際比對(duì)APMP-PR.S6[8]。比對(duì)由韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院(Korea Research Institute of Standards and Science，KRISS)主導(dǎo)，中國(guó)NIM和俄羅斯VNIIOFI參加了比對(duì)。采用3支穩(wěn)定的鎢帶燈作為比對(duì)樣品，波長(zhǎng)范圍為250～2 500 nm。比對(duì)實(shí)驗(yàn)開始于2013年，2016年6月結(jié)束，2017年發(fā)布了比對(duì)結(jié)果B稿。

2 光譜輻射亮度比對(duì)裝置

NIM的光譜輻射亮度比對(duì)裝置的原理示意圖見圖1所示，主要由高溫黑體輻射源、溫度測(cè)量裝置、入射光學(xué)系統(tǒng)、光譜比較測(cè)量系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集系統(tǒng)、光路準(zhǔn)直系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)燈裝調(diào)平臺(tái)、電測(cè)系統(tǒng)等組成[9～12]。

圖1 光譜輻射亮度比對(duì)裝置原理示意圖Fig.1 Principle figure of the comparison apparatus of spectral radiance

黑體輻射源BB3500M的最高工作溫度3 500 K，發(fā)射率優(yōu)于0.999 5，輻射腔體由48個(gè)高溫?zé)峤馐h(huán)組成，鋸齒型腔底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保溫度均勻性和溫度穩(wěn)定性。在3 016 K黑體的溫度不穩(wěn)定性小于±0.20 K/h，2922 K和2 748 K的腔底的溫度不均勻性分別為0.17 K和0.10 K。采用LP4型光電高溫計(jì)測(cè)量黑體的溫度，測(cè)量不確定度0.64 K(k=1)，溫度測(cè)量溯源至NIM熱工所的Pt-C和Re-C固定點(diǎn)黑體。在3 021 K，采用WC-C共晶點(diǎn)黑體驗(yàn)證高溫計(jì)的示值，NIM和VNIIOFI在此溫度點(diǎn)的一致性優(yōu)于70 mK。

入射光學(xué)系統(tǒng)將來(lái)自高溫黑體腔底的等溫輻射以固定倍率成像至單色儀入射狹縫，經(jīng)雙光柵單色儀分光，測(cè)量黑體的光譜輻射亮度信號(hào)Vλ,B。根據(jù)公式(1)計(jì)算黑體的光譜輻射亮度Lλ,B。

(1)

移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量比對(duì)鎢帶燈的光譜輻射亮度信號(hào)Vλ,L，根據(jù)公式(2)計(jì)算比對(duì)燈的光譜輻射亮度Lλ,L。完成比對(duì)燈的光譜輻射亮度量值復(fù)現(xiàn)。

Lλ,L=Vλ,L·Lλ,B/Vλ,B

(2)

在250～400 nm波長(zhǎng)范圍，采用光電倍增管R3896作為探測(cè)器；在380～1 100 nm波長(zhǎng)范圍，使用Si 探測(cè)器；在800～2 500 nm波長(zhǎng)范圍，使用熱電制冷型InGaAs探測(cè)器(-85 ℃)。為消除環(huán)境雜光的影響，在紅外波長(zhǎng)范圍使用斬波器和鎖相放大器，調(diào)制頻率 226 Hz。

采用雙光柵單色儀M207D作為基準(zhǔn)裝置的分光儀器。焦距0.67 m，焦距與成像系統(tǒng)的直徑比值為5.8，色散0.83～2.48 nm/mm?？叹€為1 800 刻線/mm，1 200 刻線/mm，600 刻線/mm 的3對(duì)光柵分別用于紫外、可見和近紅外波長(zhǎng)范圍。采用380 nm，700 nm、800 nm、1 400 nm和2 000 nm二級(jí)光譜截止濾光片濾除多級(jí)光譜。測(cè)量時(shí)入射、中間和出射狹縫的寬度分別為3.5 mm、4.0 mm、3.5 mm，光譜帶寬變化范圍為2.91～8.68 mm。

每次更換光柵后，需采用低壓汞燈重新校準(zhǔn)并修正單色儀的波長(zhǎng)。得到實(shí)測(cè)峰值和特征譜線的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用三階多項(xiàng)式對(duì)波長(zhǎng)誤差進(jìn)行曲線擬合，得到波長(zhǎng)范圍內(nèi)任意波長(zhǎng)點(diǎn)的修正值。修正后在紫外、可見和近紅外波長(zhǎng)范圍，波長(zhǎng)的最大誤差分別為：0.04 nm、0.03 nm和0.09 nm。

采用兩組不同的入射光學(xué)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)光譜輻射亮度量值。在入射光學(xué)系統(tǒng)前設(shè)置一個(gè)黑色光闌，精確限制鎢帶燈和黑體腔底的采樣面積寬(高為 0.6 mm×0.8 mm，符合比對(duì)的測(cè)量條件。

第一組入射光學(xué)系統(tǒng)由球形凹面鏡和一個(gè)平面反射鏡組成，成縮小像，物像比例為1:0.58，立體角為0.006 sr，成像示意圖見圖2。

圖2 第一組入射光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 The first entrance system

第二組入射光學(xué)系統(tǒng)由球形凹面鏡和兩個(gè)平面反射鏡組成，物像比例為1:1，立體角為0.008 sr，成像示意圖見圖3。在220～2 550 nm 波長(zhǎng)范圍，采用兩套入射光學(xué)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)光譜輻射亮度的相對(duì)偏差小于±0.40%。

圖3 第二組入射光學(xué)系統(tǒng)Fig.3 The second entrance system

3 測(cè)量不確定評(píng)定

光譜輻射亮度量值復(fù)現(xiàn)的不確定度來(lái)源包括：黑體/燈信號(hào)比的測(cè)量重復(fù)性、燈位置調(diào)整、黑體的溫度測(cè)量、黑體腔底的非均勻性、黑體的不穩(wěn)定性、SSE輻射源面積效應(yīng)、測(cè)量系統(tǒng)非線性、燈電流、波長(zhǎng)和偏振[4]。測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)果見表1。

4 比對(duì)結(jié)果

APMP-PR.S6比對(duì)樣品采用3支穩(wěn)定的鎢帶燈，型號(hào)均為TRU 1100-2350，鎢帶寬2.8 mm，高 20 mm。比對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)燈的幾何結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。定位金屬指針指向鎢帶中心位置，在鎢帶燈后面的玻殼上有一個(gè)圓形標(biāo)記點(diǎn)。調(diào)整鎢帶燈的六維幾何位置，確保光軸通過(guò)指針末端和后玻殼上的標(biāo)記點(diǎn)中心。水平移動(dòng)鎢帶燈，使光軸通過(guò)鎢帶中心。

圖4 國(guó)際比對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)燈的幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural figure the transfer standard lamp of international comparison

表1 光譜輻射亮度測(cè)量不確定度評(píng)定Tab.1 Measurement uncertainty analysis of spectral radiance (%)

比對(duì)技術(shù)草案規(guī)定了光譜輻射亮度的測(cè)量條件：鎢帶的采樣面積為0.6 mm×0.8 mm，成像系統(tǒng)的立體角為0.008 sr。各參比實(shí)驗(yàn)室應(yīng)基于高溫黑體輻射源獨(dú)立復(fù)現(xiàn)光譜輻射亮度量值。比對(duì)順序?yàn)椋篕RISS→VNIIOFI→KRISS→NIM→KRISS。

2017年公布光譜輻射亮度國(guó)際比對(duì)APMP-PR.S6結(jié)果的B稿，見文獻(xiàn)[8]。

表2為光譜輻射亮度比對(duì)結(jié)果，列出了各參比實(shí)驗(yàn)室與比對(duì)參考值的相對(duì)偏離以及各自聲稱的測(cè)量不確定度。

表2 光譜輻射亮度比對(duì)結(jié)果APMP-PR.S6Tab.2 Comparison result of international comparison of spectral radiance APMP-PR.S6 (%)

圖5為3個(gè)實(shí)驗(yàn)室與國(guó)際參考值的相對(duì)偏差。光譜輻射亮度國(guó)際比對(duì)APMP-PR.S6的結(jié)果表明：在紫外、可見和近紅外波長(zhǎng)范圍，NIM與國(guó)際參考值的平均相對(duì)偏差分別為0.59%，0.44%和0.34%。在250～2 500 nm波長(zhǎng)范圍，平均相對(duì)偏差為0.46%。除250 nm波長(zhǎng)外，均在測(cè)量不確定度范圍內(nèi)。

圖5 光譜輻射亮度國(guó)際比對(duì)APMP-PR.S6結(jié)果Fig.5 Comparison result of international comparison of spectral radiance APMP-PR.S6

5 結(jié) 論

采用新研制的第四代光譜輻射亮度國(guó)家基準(zhǔn)裝置，NIM參加了光譜輻射亮度國(guó)際比對(duì)APMP-PR.S6。研制的兩套入射光學(xué)系統(tǒng)參加比對(duì)，成像倍率分別為0.58和1.00，立體角為0.006 sr和0.008 sr。兩套系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)光譜輻射亮度量值之間的差異小于±0.40%。光譜輻射亮度國(guó)際比對(duì)結(jié)果表明：在紫外、可見和近紅外波長(zhǎng)范圍，NIM的與比對(duì)參考值的平均相對(duì)偏差分別為0.59%、0.44%和0.34%。全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均相對(duì)偏差為0.46%。

每個(gè)參比實(shí)驗(yàn)室與國(guó)際參考值的偏差除1～2個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)外，均在自己的測(cè)量不確定度范圍內(nèi)。在1 550 nm和1 700 nm波長(zhǎng)，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室KRISS與國(guó)際參考值的偏差為0.89%和1.04%，超出了測(cè)量不確定度0.77%和0.83%；在250 nm波長(zhǎng)，NIM與國(guó)際參考值的偏離為2.10%，超出了測(cè)量不確定度1.68%。在800 nm和900 nm波長(zhǎng)，VNIIOFI與國(guó)際參考值的偏差為0.55%和0.52%，超出了測(cè)量不確定度0.52%和0.49%。

2017年，第四代光譜輻射亮度國(guó)家基準(zhǔn)裝置通過(guò)國(guó)內(nèi)外同行專家考評(píng)，獲得國(guó)家資格確認(rèn)，頒發(fā)新基準(zhǔn)證書。在250 nm短波紫外波長(zhǎng)，NIM將進(jìn)一步提升基準(zhǔn)裝置的測(cè)量信噪比，提升與國(guó)際參考值之間的一致性。