辐射测量的基本仪器

• 由于光辐射探测器是对辐照度的响应， 当它放在球内某一表面处时 ， 其输出信号值就能表示入射到积分球内的辐射通量值; 而当光源在 球内时， 该信号值表示光源在４π 立体角内的总辐射通量。
• 积分球用于分光光度计时， 由于测量中被测样品透射或反射特性的 不均匀造成的测量光束内光能分布不均匀， 在经积分球多次漫射后 可均匀化。 安装在积分球内的探测器， 由于接收表面响应的不均匀 可能会产生的测量误差， 也可因探测器接收均匀的照射而消除。 积 分球还是理想的消偏振部件， 可避免探测器响应受入射光偏振特性 的影响。
• (２) 涂层: 涂层的光谱反射比值对积分球出射光的光谱特性有很大的 影响， 式(６ －６)光谱辐照度应写成
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６.２ 积分球
• 积分球和探测器与光源一起工作时， 应作为一个整体来考虑其光谱 特性。
• 要求高的涂层反射比主要是为了增加出射窗处的辐亮度值， 因为积 分球出射窗处的辐照度值和球半径的平方成正比， 球较大时， 辐照 度值将相当低。
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６.３ 单色仪
• 单色仪中棱镜以最小偏向角状态工作。 所谓最小偏向角， 即由入射 狭缝出来的单色光入射到棱镜与由棱镜射出的光与棱镜两棱边具有相 同(或近似相同) 的夹角。 虽然在最小偏向角时棱镜色散角小， 但单 色仪的整体工作性能(像质) 较好。
• 单色仪的主要性能指标有: 角色散、线色散和光谱分辨率。 • 角色散表示色散元件分开不同波长辐射能的能力。 对于棱镜， 角色
• 当出射窗的辐照度要求不强， 而要求辐照度的时间稳定性好时， 可 用反射比较低的涂层。 这时涂层反射比的变化和球内脏物对辐照度 值的影响就较小。
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６.２ 积分球
• 当积分球工作在中远红外谱段时， 由于硫酸钡等在波长大于２.５ μ ｍ 时反射比下降很快， 因此用作涂层材料性能较差。 硫是一种较理 想的红外漫射材料， 在３ ~ １２ μｍ 的平均反射比高达０.９４， 只 是在１１.８ μｍ 处有一吸收带， 其朗伯漫射特性和硫酸钡等相近(图 ６ －８)。
第６ 章 辐射测量的基本仪器
• ６.１ 光度导轨 • ６.２ 积分球 • ６.３ 单色仪 • ６.４ 分光光度计和光谱辐射计 • ６.５ 傅里叶变换光谱仪
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６.１ 光度导轨
• 光辐射测量中， 在光度导轨上用标准光源来标定待测光源、探测器 和光辐射测量系统，仍是最常用而且精确、可靠的装置之一。
• 光度导轨和一般导轨的主要区别在于有精确的轴向距离刻度和标尺， 其主要功能是:
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６.３ 单色仪
• ６.３.１ 棱镜单色仪
• 图６ －１１ 所示为一棱镜单色仪(Ｐｒｉｓｍ Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍ ａｔｏｒ) 的简图。 光源通过光学系统或直接照射位于第一物镜的焦 平面上缝宽可调的入射狭缝， 这样由物镜出射的一束平行光照射在 用色散较大的透明材料做成的棱镜上， 由棱镜出射的平行光， 对不 同波长有不同的出射方向; 通过第二物镜(其焦距一般和第一物镜相同 ) 会聚后， 在位于其焦平面上的出射狭缝平面上得到横向展开的连续 光谱像， 出射狭缝只使很窄谱段的光出射。 转动棱镜， 使光谱像在 出射狭缝上扫描， 于是得到不同波长(窄谱段) 单色光的输出。
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６.３ 单色仪
• 由子镜头本身有色差， 实际入射狭缝的光谱像不会严格在一个平面 内， 故许多单色仪采用凹面反射镜， 其优点是没有色差。 此外， 反 射镜不像透射透镜那样限制光的透过谱段。
• 单色仪工作的谱段范围主要取决于棱镜所用材料及其色散值， 棱镜 的色散值应尽可能大， 常用作色散棱镜的材料如表６ －１ 所示。 图 ６ －１２、图６ －１３ 分别给出用于可见和红外谱段的色散材料的 色散曲线。 在可见谱段， 玻璃的色散值随波长λ 的增大而减小; 在红 外谱段材料的工作谱段内， 色散值随波长的增大而增大。 当单色仪 工作在相当宽谱段范围内时，需更换不同材料的棱镜。
• 球内表面某一面元ｄＡ′上的辐照度ｄＥ０为
• 入射辐射通量Φ 经表面Ａ 漫射在ｄＡ′上的一次漫射辐照度
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６.２ 积分球
• ｄＡ′上的总辐照度除由表面Ａ 直接漫射光对它的辐照度贡献外， 还 有表面Ａ 照到球内其他部分(如图６ －７ 中ｄＡ″等)， 再由其部分 漫射到ｄＡ′的二次漫射辐照度ｄＥ′０
散为
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６.３ 单色仪
• 式中， ｔ 为三角形棱镜底边尺寸; ａ０为沿缝高方向光束的口径(图 ６ －１１); ｄｎ / ｄλ 为棱镜材料的色散值。
• 线色散表示在出射狭缝平面上相邻波长分开的程度。 由几何关系不 难写出
• 光谱分辨率定义为λ / ｄλ， 表示波长为λ 和波长为λ ＋ ｄλ 的色光刚 能分开的能力。 对于某一波长λ， 其与相邻色光刚能分开的ｄλ 越小 ， 说明棱镜的光谱分辨能力越高。
• 根据方孔衍射极限角分辨率ｄθ ＝ λ / ａ０， 则棱镜的最大理论分辨 率
• 进入光度计的是来自光源的直射光， 在光度计滑车两侧装有一系列 挡光片， 其作用是只使直射光进入光度头， 而把来自由四周侧壁、 设备等反射和散射的非测量光挡去。
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６.１ 光度导轨
• 挡光片的位置可沿水平方向移动。 从光源处看光度计入射光孔时， 只应看到光孔本身。 此外， 导轨上要覆盖黑色丝绒等， 以防止光由 导轨表面反射而进入光度计。
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６.１ 光度导轨
• 向左或向右移动光度计或者改变一侧光源到光度计的距离， 使进入 光度计两侧的光在视场内平衡时， 两半视场的中心界线消失， 但Ｒ １、Ｒ２仍分别比它们所在的背景暗８％， 在视场中人眼将看到它们 和所在的背景有相同的反差。 图６ －４画出了当左右侧视场亮度不 同时， 由于ＬＡ /ＬＢ值的变化而引起左右两半视场反差变化的曲线， 当两侧视场亮度ＬＡ 、ＬＢ 不等时， 一侧反差减小， 另一侧反差增 大。 这样来判断亮度不平衡要比仅用两半视场中线消失来判断更为 灵敏。
• 将光度计和一侧待测光源拿去， 滑车上装上支架， 支架上再安装探 测器， 由探测器表面到标准光源的距离可确定探测器表面的辐照度 值， 以此作为探测器辐照度标定的依据。
• 测量中还要注意的问题是: 导轨要置平， 以免实际距离和距离刻尺示 数不一致; 导轨不应有不平的接头， 以免光源在测量过程中受振动。
• (３) 出射窗口: 出射窗应当选用无选择性的透明材料。 窗的位置离开 球表面(图６ －９)会使部分球面积的光不能进入出射窗。 因为实际 积分球的工作特性并非理想， 出射窗处的辐照度也不是完全均匀的， 因此， 出射窗口的尺寸和积分球应当有一定的比例。
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６.２ 积分球
• 经验表明， 要保证出射窗辐照度均匀性在１％左右， 则出射窗的直 径最好不大于球直径的１/１０。 图６ －１０所示为用作定标源的积 分球在出射窗口的辐亮度相对分布(积分球的直径为０.７６ ｍ， 出 射窗直径是０.３ ｍ)。 可以看出， 相对辐亮度分布差异可达２.６％ 。
• 应用最广泛的是陆末－ 布洛洪(Ｌｕｍｍｅｒ － Ｂｒｏｄｈｕｎ) 目 视光度计， 其结构如图６ － ３ 所示。
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６.１ 光度导轨
• 图中Ｈ 的两侧反射比相等， 为具有朗伯漫射特性的白板。 Ｍ１、Ｍ ２ 是反射镜。 Ｐ 是由两个直角棱镜胶合而成的陆末立方体， 其中左 棱镜的斜边上刻有一些凹槽， 来自左侧的光透过未被刻槽的部分而 进入左侧光度视场; 而来自右侧的光， 则因左棱镜刻槽处所造成的空 气隙， 在右棱镜斜面上形成全反射而进入右侧光度视场。 合成视场 如图６ －３ 中阴影线和没有阴影线的部分， 各代表由一侧进入现场 的部分。 ＡＢ 面和ＢＤ 面上分别附加了一块透射比为９２％的薄玻 璃片， 其位置分别对应两梯形部分的视场， 这样， Ｒ２梯形部分要 比左半侧视场略暗， 而Ｒ１梯形部分比右半侧视场略暗。
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６.２ 积分球
• 和光度导轨一样， 积分球(图６ －５) 并非一个单独的测量设备， 它 常常和光源、探测器装在一起， 作为理想漫射光源和匀光器， 广泛 地用于光辐射测量中。
• 积分球的基本结构是由铝或塑料等做成的一个内部空心球。 球内壁 上均匀喷涂多层中性漫射材料， 如氧化镁、硫酸钡、聚四氟乙烯等 。 球上开有多个孔， 作为入射光孔、安装探测器、光源等用。 为了 防止入射光直接射到探测器上， 球内还装有遮挡屏， 如图６ － ６ 所示。
• 实际使用的积分球要考虑以下方面的问题:
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６.２ 积分球
• (１) 球内的遮挡屏与物: 球内有遮挡屏和物(如光源等)， 会使积分球 实际工作状况偏离理想球。 增大球的尺寸， 可相对地减少遮蔽屏和 物的影响。 遮蔽屏应当涂上与积分球内表面相同的涂层材料。 如果 球内有吸收光的表面， 如灯泡泡壳， 则应当满足
• 考虑到积分球可能有几个样品、探测器等的开孔, 第ｉ 个孔的反射比 为ρｉ,开口面积和球内表面积之比称为开口系数ｆｉ . 故积分球壁的平 均反射比 为
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６.２ 积分球
• 于是 • ｄＡ′上的总辐照度
• 当光源在积分球内， 积分球是个完整漫射球表面 ,
,
则
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６.２ 积分球
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６.１ 光度导轨
• 要使距离引起的辐照度测量误差小于０.２％， 由辐照度和距离的平 方关系， 则理论上距离测量误差就应小于０.１％， 实际距离测量精 度就应高于０.０５％， 即１ ｍ 测量距离的距离误差小于０.５ ｍｍ 。 更近的测量距离要求距离精度更高， 故建议实际使用上测量距离 至少应大于０.５ ｍ。
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６.１ 光度导轨
• 改变光源至屏的距离， 光源的辐亮度值可连续、精确地变化。 • 光度导轨的特点是其他方法(如加中性密度滤光片改变光阑孔径等) 不
能实现或不能精确实现的。 • 导轨上装有数个带距离精细刻度的滑动架或滑动车， 以便和导轨上
的距离刻尺对准， 提高距离读数的精度。为了增加垂直测量平面上 辐照度等的变化范围， 减少距离误差对测量的影响， 光度导轨应尽 可能长.由于辐照度和距离的平方成反比例， 所以距离精度将直接影 响辐照度的测量精度。 • 在光度导轨上测量时， 光源至待测平面的最近工作距离取决于用平 方反比定律计算辐照度的允许误差， 可根据允许的相对距离误差ε 和 光源的尺寸确定最近工作距离。
• 要保持待测表面的距离指标在同一垂直平面内， 或者有一已知的精 确距离， 一般可用一专用的距离规(图６ －１)。 图６ －１ 中ｌ 是 两孔垂直细丝的连线到尖端Ａ 的距离， 可精确测定。 当两细丝的连 线和灯丝工作表面(如钨带灯) 共线时， 可由Ａ 点作为灯丝位置距离 测量的基准。
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• (１) 使两个或多个部件之间轴向的相对位置对准， 并在其相对移动 时保持对准关系。
• (２) 精确地确定测量部件之间的轴向距离， 以便用辐照度平方反比 定律连续、精确地改变某一平面处的辐照度(照度)。
• (３) 用光源加上相距一定距离的透射－ 漫射屏， 可得到透射、漫射 特性近似朗伯体的均匀辐亮度源。
６.１ 光度导轨
• 此外， 灯丝平面、待测表面应垂直于测量光学系统的光轴， 微量的 不垂直有时会因光源的非朗伯辐射特性而造成一定距离处辐照度的测 量误差。
• 图６ －２ 所示为在光度导轨上用标准光源标定待测光源的装置。 标 准光源和待测光源分别装在左、右滑车上，光度导轨中间的滑车上装 有目视光度计。 通过调节它们的高低、方向， 使两光源灯丝表面与 目视光度计测量光轴垂直， 这样， 来自两光源的光从目视光度计两 侧进入， 并在其观测视场内合一。
• 当积分球是中空的完整球体时， 球内任一面元发出的辐射通量能使 球内各点有相同的直射辐照度。 至于球内多次漫射的情况分析， 则 较复杂。
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６.２ 积分球
• 设有一束入射辐射通量照在积分球内表面Ａ 上(图６ －７)， 这里分 析不在Ａ 处的某一表面元ｄＡ′上的辐照度值Ｅ∑ 。 当积分球内壁涂 以反射比为ρ 具有朗伯漫射特性的涂料时， 表面Ａ 上某一面元ｄＡ 的反射辐亮度ＬＡ和它的辐照度ＥＡ之间存在着关系