（光学工程专业论文）紫外辐射通量的测量研究.pdf

摘要 近年来随着紫外光源的生物效应越来越受到人们的重视，而对 它的评价也变的重要起来。作为评价其的一个重要指标一总辐射通 量，自然而然地倍受重视。 本文正是基于此评价目的而作。文中讲述并分析了两套不同的 辐射测量系统，即积分球辐射度测量系统和变角辐射度测量系统。 其中，对于积分球辐射度测量系统我们知道，要想获得理想的 测量结果，首先要有辐射通量标准灯。我们在仅有紫外福照度标准 灯的情况下，找到了一种光谱响应系数对接的方式，从而将仪器的 可见区光谱响应系数延伸到了紫外区域。当然，对于比如积分球涂 层以及吸收系数的影响我们也分别找到了相应的解决方式。最后得 到了较为理想的测量结果。 因为积分球辐射度测量系统在测量紫外辐射通量的过程中，不 能消除标准灯与待测灯的相对光谱功率分布以及空间分布不同所产 生的影响，所以我们又设计了一套变角辐射度测量系统。对于这套 测量系统最主要的工作是要设计一套可以实现空间旋转的旋转台， 通过比较我们选用了光源运动的方式进行了设计( 见附录2 所示) 其中对于测量总空间杂散光的影响、系统的标定以及探测器的余弦 修正我们也找到了理想的解决方式，最后同样得到了十分理想的测 量结果。 在文章的最后，在对两套系统详细分析了其优缺点的同时，并 对二者进行了横向对比，得出了变角辐射测量系统要优于积分球测 量系统的结论和理由。 作为本文与目前许多同类文章相比的最大特色是，文章不仅仅 是泛泛的介绍紫外辐射测量的原理，而且详细介绍了两套不同的测 量系统，并且在最后进行了实验数据的测量。再加之我们还找到了 一个改进余弦修正的新方式以及采用光谱响应系数对接的方法，将 仪器的可见区光谱响应系数延伸到了紫外区域。 关键词：辐射通量、积分球、变角辐射测量、光谱响应系数。 a bs t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h eu l t r a v i o l e tr a d i a t i o n sb i o l o g i ce f f c c tc a r e db y m o r ea n dm o r ep e o p l e ，i t sa p p r a i s e m e n tb e c o m e sav e r yi m p o n a n tb u - s i n e s s a sas ob a s i l i cq u a l i f i c a t i o nt h a tt h er a d i a n tf l u xa t t i a c t sm o r e a n dm o r ep e o p l e sa t t e t i o n 1 nt h i st h e s i s ，b e i n gb a s e do nt h i sp u r p o s e ，w ed e s i g n e dt w od i f f e r e n ts y s t e m s ，w h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r et h cu vr a d i a n tf l u x w ef e s p e c t i v e l yn a m et h e ma st h ei n t e g r a t i n gs p h e r e sm c a s u f c m e n ts y s t e ma n dt h eg o n i o f a d i o m e t r ym e a s u r e m e n ts y s t e m f i r s t l y ，i nt h ei n t e g r a t i n gs p h e r e sm e a s u r e m e n tw a y ，i fw ew a n tt og e t e x a c tr e s u l tt h er a d i a n tf l u xs t a n d a r dl a m pi sn c c d e d a tl a s tif i n da n e wa b u t t j n gj o i n tm e t h o dt oe x t e n dt h es y s t c mr e s p o n s er a t i ot o u l t r a v i o l e t b a n d 0 fc o u f s e ，f o ro t h e fi n f l u e n c ef a c t o r sf o re x a m p l et h e c o a t i n g ，鱼b s o r p t a n c ea n ds oo n ，1g e tt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d b e c a u s eo ft h et h ei n t e g r a t i n gs p h e r e sm e a s u r e m e n ts y s t e mc a nn o t s e t t l et h ep r o b l e mt h a tt h es p e c t f u md i s t r i b u t eu n e v e ni nt h es p a c e s o w ed e s i g na n o t h e rs y s t e m t h eg o n i o r a d i o m e t r ym e a s u r e m e n ts y s t e m i tc a ns e t t l et h i sp r o b l e mc o m m e n d a b l y t h e r e i n t 0 ，t h es p a c ef o t a t i n g s t a g e sd c s i g ni st h ek e yp o i n ta n dw ec h o o s et h ew a yo fi i g h ts o u r c e r o t a t i n g a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，ic o m p a r et h e m s e l v e se a c ho t h e rw h i l et h i s t w os y s t c m s c h a r a c t e f i s t i c sa r ea n a l y s e da n dr e a c ht h cc o n c l u 8 i o no f t h eg o n i o r a d i o m e t r ym e a s u r e m e n ts y s t e me x c e e d i n gt h ci n t e g r a t i n g s p h e r e sm e a s u r o m e ts y s t e m t h i st h e s i sn o to n l yi n t r o d u c et h cp r i n c i p l eo ft h eu vf a d i a t i o n s m e a s u r e m e n tb u ta l s op r 印e n tt h ec x p e r j m e n td a t a i nt h ep r o c e s so fd - e s i g n i n gt h et w o 毫y s t e m $ ，if i dan e wm e t h o dw h i c hc a na m e l i o r a t e t h cc o s i n ee f f e c to ft h cd 毒t e c t o r k e y w o f d s ：r a d i a n tf l u x ；鎏瓤t e g f 曩t i n gs p h e r e ；g o n i o r a d i o m e t r y n 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 目前，紫外辐射在日常生活中的影响越来越受到了人们的重视。如果我们 稍加注意，就会发现市场上以紫外杀菌或防紫外辐射为名头的产品层出不穷。而 如何评价这些产品的优劣又或者说怎么样来测量紫外辐射就成为了一个日益突 出的问题摆在了我们面前。 1 1课题背景及意义 我们知道，目前平流层臭氧的大量减少已成为了一个不容忽视的全球性问 题。由于臭氧层变得越来越稀薄，造成了地球表面紫外辐射的大量增加，特别是 u v b ( 2 8 0 3 2 0 n m ) 辐射的大量增加，使得环境受到污染，地球表面的温度日益升 高。在给人类的健康带来了严重安全问题的同时，也对生态系统和农业生产产生 了不可估量的危害。 当然紫外辐射也并非是有百害而无一利，为了将此问题说得更加透彻，我 们先来看一下目前对紫外辐射波段的划分：a 波段( 4 0 0 3 2 0 n m ) ；b 波段( 3 2 0 2 8 0 n m ) ；c 波段( 2 8 0 2 0 0 n m ) ；真空紫外波段( 2 0 0 1 0 n m ) 。波长小于2 0 0 n l 的紫外辐射由于大气的吸收，所以在空气中不能传播。 紫外辐射的一个十分显著的特点就是它具有生物效应，即当其照射人体或 生物体后，会使人体或生物体发生生理上的变化。首先以人体为例说明如下： a ) 紫外辐射具有促进人体内维生素d 转化为骨化醇的作用，而骨化醇能增 强骨骼对钙的吸收，防止佝偻病、软骨病的发生： b ) 小剂量紫外线照射对人眼不但无害，而且还可以用于治疗角膜溃疡等， 并使之加速痊愈和减轻后遗症； c ) 中波段紫外辐射可使皮肤产生一种红斑作用，增强人体的免疫力； d ) 长波段紫外辐射可使人体皮肤黑素素沉着，最外层变厚，从而筑起一道 防卫太阳光照射的长城： e ) 紫外辐射可使空气中的一部分氧分子产生带负电荷的氧离子，而负氧离 子具有灭菌、净化空气、调节人体各种功能，促进机体组织代谢，提高人类健康 和长寿的作用。许多高山地区的人民比较长寿就是基于这个道理。 为了充分利用紫外辐射的上述优点，所以目前紫外光源的开发和应用正处 于一个高速发展时期，紫外光源的不断研制开发逐渐填补了各紫外线波段的光源 浙江大学硕士学位论文 品种空白。目前已有的一系列的不同类型的紫外光源产品有：紫外线汞灯、紫外 线金属卤化物灯、紫外线荧光灯、氙灯和其他紫外光源等等。 但是需要注意的是，虽然小剂量的紫外辐射对人体有益无害，但是大剂量 的紫外辐射却会给人体造成危害。例如大剂量紫外照射会引起光感性眼炎，即角 膜、结膜的非特异性炎症。在一定的剂量条件下，波长越短对人眼的致伤作用越 明显，波长2 5 4 n m 的紫外线比3 0 0 n m 的紫外线致伤作用大1 0 倍。同时过量的紫 外线作用到皮肤后，会使皮肤的毛细血管扩张，液体渗出使皮肤产生紫外线灼伤。 另外，毛细血管长时间的扩张，血管纤维会被破坏，会导致胶原纤维和弹性蛋白 纤维变性，未老先衰m 。 综上所述，可以看到对紫外辐射建立一定量的评价机制就显得尤为重要了。 也同时正是基于此目的作者才选择了此课题。 1 2论文主要内容 正如上文所述，本文的主要目的是为了对紫外辐射评价给出一定量的评价 机制，所以将重点也就自然而然的放在了测量系统的设计以及实验方面。同时我 们知道，紫外光源的总辐射通量是表征其光输出功率的一项重要指标，故本文选 择了总辐射通量来进行研究和测量。 本文第二章主要是介绍了一些光辐射测量的理论基础，包括了辐射度学的 一些概念和光辐射探测器的一些基本内同，其中对紫外探测器的余弦修正还专门 作了一实验加以说明，详见第二章最后部分所述。 第三章为积分球辐射度测量系统的设计及实验研究。在这里本文介绍了第 一种测量方法，并且设计了一套测量系统，而且通过实验得出了测量结果，并对 测量结果进行了分析，最后得出了实验结论，详见文中所述。 第四章为变角辐射测量系统的设计及实验研究。针对积分球法的一不合理 之处，本章专门设计了一个实验对其进行了验证。同时又引入了另外一种可以修 正这个误差的测量方法，即变角辐射测量。也同样设计了一套基于此方法的测量 系统，并对测量结果进行了分析，最后得出了结论。 第五章为本文的总结与展望部分，在此分别对两套系统进行了总结并对其 的未来发展进行了预期。 本文最后部分为系统照片以及致谢部分。 2 浙江大学硕士学位论文 参考文献 r e f e r e n c el i t e r a t u r e s 【l 】 刘榴姊、倪国强、钟生东、方庆醋、王毅，紫外线的应用探测及其新发展， 光学技术，1 9 9 8 年3 月，p 8 7 9 0 。 【2 】 南景宇、岳建一，紫外线的应用、预报及其预防，张家口师专学报，2 0 0 3 年6 月，p 1 5 1 6 。 浙江大学硕士学位论文 第二章光辐射测量的理论基础 2 1基本概念 在光辐射能的定量描述当中，采用了各种辐射度量。简单地来说辐射度量 是用能量单位描述光辐射能的客观物理量。它是辐射能本身的客观度量，是纯粹 的物理量。当然，与辐射度量对应的还有光度量，但由于本文的主旨意在讨论紫 外辐射通量的测量方法以及测量系统，所以对光度量的一些基本概念下面就没有 作进一步的论述。 2 1 1辐射度学常用术语 由于我们的工作是要测量紫外光源的辐射通量，而非一般意义上的可见光 源的光通量，所以对于一些常用的辐射度学基本术语的了解就显得格外重要了。 只有对这些概念做到比较清晰，才能在后面的测量工作不犯原则性地错误。 l 立体角 在辐射度学中，多会涉及到某一辐射源向三维空间的各个方向发射辐射通 亮的问题，因此角度量必须采用立体角，以q 表示。设在圆球表面上切出一小圆 面积j ，圆球半径为r r 见图2 1 ，则立体角定义为 q = 吾 如果圆球表面上的小面积j 等于圆球半径的平方时，则该小面积j 对应的 立体角为一单位立体角，成为球面度( s t e n d i a n ) ，以符号s r 表示。 图2 r 1 立体角的定义 4 浙江大学硕士学位论文 由于整个圆球的表面积为4 石r 2 ，则围绕球心。点的总立体角为 q 。竺三；锄s r ( 2 ) r 。 因此，围绕一点光源的立体角就等于轨( s r ) ，而笼罩一点源的半空问( 半球) 所对应的立体角为2 万( s r ) 。 2辐射能( f a m 粕t e n e f g y ) q 。 辐射能是以辐射形式发射、传播或接收的能量，单位为j ( 焦耳) 。当辐射 能被其他物质吸收时，可以转变为其他形式的能量，如热能、电能等等。 3辐射通量( r a d i 柚t n ) 中。 辐射通量又称为辐射功率( t a d i a n tp o w e t ) p 。，是以辐射形式发射、传播或 接收的功率，单位为w 。如以t 表示时间，辐射通量的定义式为： 圣：堡 ( 3 ) 出 任一实际辐射源发出的光辐射，往往由许多不同波长的光所组成，而且不 同波长的光在其中所占的比例也不相同。为了研究各种波长的辐射能量，还须对 单一波长的光辐射作相应的规定。比如与辐射通量相对应的光谱辐射量即为光谱 辐射通量( s p e c 仕a l t a d i a n t f l u x ) 中。，由相应的辐射量符号加下角标a 构成。 辐射源发出的光在波长a 处的单位波长间隔内的辐射通量谓之为光谱辐射 通量中。，其与波长的关系曲线见下图2 2 所示。 图2 2 光谱辐射通量与波长关系示意图 从辐射源表面的面积元办辐射出的，波长在a 到a + j 间隔内的辐射通量 为d 吐( d ，则波长a 处的光谱辐射通量为： 5 浙江大学硕士学位论文 垂，。型 4 d a 其单位为w 衄( 瓦每纳米) 。 4 辐射强度( f a d i a n ti n t e 地蚵) i 。 辐射强度定义为在给定方向上的立体角元内， d 中。除以该立体角元d q ，即为： l ；等 ( 4 ) 离开点辐射源的辐射通量 ( 5 ) 单位为w s t ( 瓦每球面度) 。 5 辐射通量面密度【r a d i a n tn ( s l l 出c e ) d e 地i 明 辐射源面上一点处的辐射通量面密度为包含这点的面元上的辐射通量除以 该面元面积。有两种情况： 辐射出射度( t a d i a i l te 】【i 扭n c e ) m e 辐射出射度为离开辐射源表面一点处 的面元的辐射通量d 中，除以该厩积d s ，即： m 。一等 单位为w m 2 ( 瓦每平方米) ，见图2 3 。 辐射照度( i t r a d i a n c e ) e 在辐射接收面上一点的辐射照度等于照射在包括 该点的一个面元上的辐射通量d 中。，除以该面元的面积d aa 即： e 。盟 ( 7 ) d a 单位为w m 2 ( 瓦每平方米) ，见图2 4 所示。 d 中。 图2 3 辐射出射度定义图2 4 辐射照度定义 6 辐射亮度( 蛆d i a n c e ) k 辐射源面上一点沿给定方向的辐射亮度可定义为，在给定方向上包含该点 的面元d s 的辐射强度d i 。除以该面元在垂直于给定方向的平面上正投影面积。即： 6 浙江大学硕士学位论文 k ，盟；垡三尘( 8 ) 矗s c o s 口矗q d s c o s 秽 单位为w ( s r m 2 ) ( 瓦每球面度平方米) 。 2 1 2辐射度学中的两个基本定律n 1 1 朗伯余弦定律 在一般情况下，面光源上某点的亮度是方向角口的函数。如果有这样的面光 源，它在各个方向的辐射亮度都相同，这样的面光源就称为朗伯辐射体或理想漫 射体。 图2 5 朗伯余弦定律示意图 上图所示为一面光源，由面积元d s 向各个方向辐射定的亮度，可知，它 在某一方向上的发光强度显然与辐射角度的余弦成比例，有 刃p ) = p ) 搬c o s 口 ( 9 ) 如果d s 向2 丌空间内所有方向辐射的亮度相同，即： 厶；三( 岛) 一t 工( 吃) 一常数l ，贝9 刃p ) = 砜c o s 日 ( 1 0 ) 式中，矾一豳为面积元d s 在发现方向( 口；o ) 上的发光度。 如果面光源d s 上的所有点都符合( 1 0 ) 式，则可写为： ，p ) e 厶c o s 口 ( 1 1 ) 上式即为朗伯余弦定律。 浙江大学硕士学位论文 2 距离平方反比定律 垂直于光线传播方向的照度与光源在该方向的光强成正比，与光源到表面 的距离的平方成反比，这就是照度的距离平方反比定律，用公式表示为： e = ；c o s p ( 1 2 ) 2 2光辐射探测器 光辐射量的测量可以用各种探测器，它们都是把光辐射能变换成一种可测 的量进行光辐射量的测量的，因而光辐射探测器是光辐射量测量系统中的一个关 键组成部分。它的性能往往直接影响到光辐射度量测量的可能性以及测量的精确 性等。近几十年来，随着光学和光电技术的迅速发展以及对光辐射探测与精确定 量、高灵敏度测量的需要，光辐射探测器的品种和数量迅速地发展着。 2 2 1常用光辐射探测器嘲 1 光电发射型探测器 它是一种利用外光电效应实现光电转换的器件。当具有较高频率的光子入 射到探测器阴极表面时，该表面材料中的电子吸收光子能量；此时如果电子的动 能大于材料表面逸出功时，在外电场作用下，就形成了流向阳极的电子流。其中 最常用的是光电管和光电倍增管等。 2 光电导探测器 它是一种利用半导体材料在光照下电导率增加( 电阻值下降) 的光电导效 应来实现光探测的器件。比较常用的有光导管和光敏电阻等。 3光伏探测器 当半导体的p n 结吸收了足够能量的入射光子后，产生的电子空穴对在p n 结电场作用下会在外电路形成输出电流，这种效应叫光伏效应。基于这种效应的 探测器有光电二极管、光电三极管、光电池等。 2 。2 2 常用光辐射探测器的性能参数h 1 光辐射探测器的性能主要由下述诸特性表征：探测器的灵敏度、探测器检 测弱信号的能力、探测器的线性特性、时间特性和温度特性等。 8 塑望盔堂塑主堂堡堡兰一 1灵敏魇s 探测器的灵敏度又称积分灵敏度，有的叫响应。它表征探测器对入射光( 辐 射) 量敏感的程度，即单位光( 辐射) 量产生的电流或电压量，表达式为： s 。三 ( 1 3 ) 中 式中，m 为入射光( 辐射) 通量；i 为探测器的输出电流( 电压) ；s 为探测器 的灵敏度，单位是a 1 m 或a w 。 2光谱灵敏度s ( a ) 光谱灵敏度是描述光电探测器对不同波长的入射光辐射敏感的程度，也叫 光谱响应。若探测器对波长a 光辐射通量中。产生的输出电流或电压量为i ，则其 光谱灵敏度为： s ( a ) 2 毒 在实际工作中，常用的是s ( a ) 随波长的相对变化，称为探测器的相对光谱 灵敏度足q ) 。它定义为探测器的各绝对光谱灵敏度s ) 与其在光谱响应范围内 的最大绝对光谱灵敏度s ( ) 。之比，即： 踯) a 是 ( 1 3 ) 3 暗电流 当探测器未受到光辐射照射时，输出的电流谓之暗电流。通常取其输出电 流的平均值，以l 表示。 4噪声 从探测器的灵敏度定义可知，无论多么小的光辐射作用于探测器，都应产 生响应并被检测出来。事实上并非这样，实际上，探测器都有噪声，它是一种杂 乱无章、随机起伏的输出。这种信号对时间的平均值为零，但其均方根值却不为 零，因此将这个信号的均方根值称为噪声信号。产生噪声的原因很多，大体上分 为以下几种，热噪声( 约翰逊噪声) 、产生一复合噪声、散粒噪声以及低频噪声 ( 噪声) 等。 9 浙江大学硕士学位论文 2 2 3光辐射探测器的余弦修正 由上面我们对余弦定律的论述可知，当光垂直入射时，探测器表面的照度 为毛，而当光与探测器表面法线成a 角倾斜入射时，照度应为疋一c o s a ，那 么探测器的输出值应该符合余弦比例关系，即l = 厶c o s 口。但是实际上探测器 并不能达到这种理想状态，这就需要对其进行余弦校正。 对于短波紫外辐照度探头来说，目前常用磨毛石英玻璃或透紫外的聚四氟 乙烯等材料，结构如图2 6 所示。由于石英玻璃本身透明度很好，即使双面磨毛 散射性也很差，当测量具有较大尺寸的紫外光源时，视场角较大，会带来很大误 差。为了得到一个好的余弦修正效果，人们往往从结构上下功夫，但效果都不令 人满意。 余弦修正之过j 嵩 探测乒芹 探测器 积分球 探测器 图2 6 平面型余弦修正器 图2 7 积分球式余弦修正器 为此我们联想到了积分球，因为它是一种很好的漫射体，在配上一个边缘 锐利的入射孔，则其方向响应近似于理想的“余弦”响应嘲。所以我们采用了在 探测器前加积分球的方法来对余弦进行修正，如上图2 7 所示。 为了验证这个想法，我们专门采用了变角测试台以5 。为间隔进行了实验验 证，并将其和普通的平面型余弦修正器进行了对比。此次实验中用到的光辐射探 测器为光电倍增管，测量值为辐照度值。 为了节省篇幅，在这里我省略了具体测量步骤以及实验仪器的搭建过程。 最后仅将实验系统结构图画出，如图2 8 所示，以及测得的结果列于表2 1 和2 2 中，并且分别画出了它们的归一化曲线图如2 9 和2 1 0 所示。 l o 浙江大学硕士学位论文 积分球( 或平面型余弦修正器) 光电倍增 图2 ，8 实验系统结构图 表2 1 积分球式余弦修正器修正结果 光源 转台 角度测量值角度测量值角度测量值 ( 。) ( u w c m 2 ) ( 。) ( u w c m 2 )( 。)( 1 1 w c m 2 ) o 6 5 6 53 55 0 2 57 01 2 8 3 56 4 9 54 j 0 4 6 0 37 50 6 9 6 1 06 3 5 94 54 2 1 88 0 o 0 7 4 1 5 6 1 8 85 03 6 9 88 5o 0 5 1 2 0 5 9 9 85 53 1 7 89 0o 0 0 0 2 55 7 4 96 0 2 6 4 1 3 05 3 3 26 51 9 1 0 表2 2 平面型余弦修正器修正结果 角度测量值角度测量值 角度测量值 ( 9) ( u w c m 2 )( 。)( u w c m 2 )( 。)( u w c 七n 2 ) 0 1 0 2 0 03 57 7 1 27 02 4 8 8 51 0 0 7 64 0 7 ，0 9 07 51 7 4 1 1 09 8 2 74 56 4 6 88 0o 9 9 5 1 5 9 5 7 85 05 7 2 2 8 5o 3 7 3 2 0 9 2 0 55 54 9 7 69 0o 0 0 0 2 5 8 8 3 26 04 2 2 9 3 08 3 3 4 6 53 3 5 9 1 1 浙江大学硕士学位论文 角度( 度) 图2 9 积分球法余弦修正图图2 1 0 平面型余弦修正图 图2 9 中星号线为加积分球后测得的归一化余弦响应曲线，实线是理想的余 弦曲线。图2 1 0 是常规采用平面型漫射器制作的辐射探测器的余弦响应曲线。对 比图2 9 和图2 1 0 ，可知积分球是一种十分理想的余弦修正器，在法向5 0 。的范 围内，余弦误差均小于3 。不过积分球内壁喷涂的紫外漫射材料受环境灰尘及 温度的影响明显，一般比较适合实验室精密测量应用。 综上所述，只有在了解了辐射度学的一些基本知识以及光辐射探测器的性 能参数以后，才能够在以后的实际测量过程当中做到胸有成竹。更加重要的是我 们还找到了一种改进光辐射探测器余弦响应的新方法，这就为以后的测量工作起 到了良好的辅助作用。 参考文献 r e f e r e n c el i t e r a t u r e s 【1 】徐海松，光辐射测量 m ，浙江，浙江大学出版社，2 0 0 0 ，p 6 。 【2 】 薛军敖、李在清、朴大植、孟昭仟，光辐射测量原理和方法 m ，北京， 计量出版社，1 9 8 1 ，p 1 5 4 1 5 6 。 【3 】【加】w 比尤迪著，缪家鼎译，光辐射实用探测 m ，北京，机械工业出 版社，1 9 8 8 ，p 9 0 一1 3 6 。 【4 】 安毓英、曾小东，光电探测原理 m ，陕西，西安电子科技大学出版社， 2 0 0 4 ，p 5 1 - 1 2 7 。 【5 】 y o l l i l o ，“d e t e c t o rb 蠲e dl 舡l n i o 鹕f l u xc a l i b m t i 呻u s i n gt h ea b s o l u t e h n e 掣a t i n g - s p h e r em e t h o d ”，m e t r o l o g a ，2 0 0 0 ，3 5 ( 4 ) ，p 4 7 3 4 7 8 。 浙江大学硕士学位论文 第三章是球形辐射度系统的设计及实验研究 3 1系统原理 积分球又称光度球，它是一个球形空腔，一般由两个内壁涂以白色漫反射 层( 硫酸钡或者氧化镁) 的半球壳组装而成。球内放置被测光源。光源发出的光 经球壁多次漫反射后，使整个球壁上的照度均匀分布，故通过球壁上的窗口射到 光电探测器上的辐通量应正比于光源所发出的总辐通量。 图3 1 表示一个积分球，假设球内壁各点的漫反射性能是均匀的，其漫反射 比为p ，球面半径为r ，球心为o ，c 为待测光源，可以在球内任意放置，其发 出的辐通量为m 。通常在c 与b 之间放一挡屏，挡去直接射向b 点的光，则光 而“ 源c 在球壁任意点b 上产生的辐照度为：e 。二= 毒j l 4 丌r 1 一d 图3 1 积分球原理 上式中，r 和p 都是常数，因为在球壁上任意位置的辐照度( 挡去直接光照 后) 与光源的辐通量成正比，由此即可通过测量球壁窗口上的辐照度来计算光源 的辐通量。实际应用中通常是采用代替法，即用只辐通量标准灯来定标。当被 测灯与标准灯的照度读数分另| j 为乓和e 时，被测灯的辐通量为= 鲁吣 浙江大学硕士学位论文 3 2存在问题及解决方式 目前运用积分球法测量光源的辐射通量，应该说是一种比较成熟的测量方 法。全世界很多国家都是使用的这种方法，它具有测量系统结构简单，操作容易 等等优点。 但是，同样不可避免的是它也有许多不得不足，以致于导致测量结果不是 十分精确。比如说球壁漫反射层喷涂的不均匀性、球壁材料和窗口材料的非中性 ( 即涂料的漫反射和窗口的透射比与波长有关) ，特别是在进行紫外测量时，紫 外光会引起涂层的荧光效应以及超出预期的吸收等等因素，均会造成测量结果的 不准确。即便是采用比较法进行辐射通量的测量( 建立在我们有辐通量标准灯的 基础之上，实际上是没有的) ，可以大为减少漫反射层的影响，但是却不能消除 由于标准灯的尺寸和结构与待测灯的不相同，而造成的对球内漫射光的吸收情况 不同的影响；也不能消除标准灯与待测灯的相对光谱功率分布以及空间分布不同 产生的影响。对于一些光束角比较小的光源来说，有时候测出的辐通量会随着光 源在积分球内悬挂的角度不同而有所变化。再加之球内还有支撑杆、接线架、灯 头、挡屏及窗口等物，会引起吸收比的不同等等1 2 】。 综上所述，我们可以看到虽然积分球法测量光源的辐射通量有着很多的优 点，但正如每天都会有白天和黑夜一样，这种方法也有着许许多的需要改进之处。 而如何改进这些不足也就是我们研究的意义所在，下面我就对这些不足中的几个 方面进行下述讨论。 3 2 1 积分球内壁涂料【3 】 为了得到精确的测量结果，积分球内壁涂料应尽量满足以下几个条件： 化学稳定性好；反色比高；光谱选择性小；受紫外辐射时产生的荧光弱； 工艺简单。一般采用硫酸钡或氧化镁作漫反射涂料，前者比较接近中性，牢固 耐久，不易变质，但价格昂贵；后者漫反射比高，接近中性，价格便宜，但较易 污染或变质。所以在光度学中，多采用硫酸钡作为内壁涂料。在这里我们可以选 用一种新型的材料一铝粉加清漆( 以下简称铝粉) 作为内壁涂料。 下面对硫酸钡和铝粉的性能分别进行比较如下： 稳定性：两者一样好： 荧光强弱：由表3 1 可见，硫酸钡的荧光最大值与其所对应的反射强度之比 为铝粉的1 3 4 倍，二者相比，铝粉更为优异： 1 4 浙江大学硕士学位论文 表3 1 硫酸钡与铝粉荧光强弱对比表 材料荧光最大值( 波长) 反射强度荧光最大值反射强度( ) 硫酸钡3 8 9 0 ( 3 9 5 0 砌) 3 1 0 01 2 5 铝粉5 8 5 3 ( 3 9 5 0 姗)6 2 9 7 o 9 3 漫反射比：硫酸钡和铝粉两种材料的漫反射比如表3 2 所示。 表3 2 硫酸钡与铝粉漫反射比对比表 教长 衫剃 2 5 0 n m2 6 0 啪2 7 1 ) 姗2 8 0 m2 9 ( ) n m3 0 0 n m 硫酸钡 8 0 0 28 2 5 38 2 2 28 3 0 ，78 3 7 78 4 6 9 铝粉7 1 5 27 2 。0 37 2 。4 07 2 9 27 2 6 57 2 4 3 由上表可以看出，在2 5 0 2 6 0 n m 的波长范围内，硫酸钡的漫反射比随波长 增加3 ，而铝粉只增加o 7 。迸一步看，在2 5 0 8 5 0 i l i n 的宽谱范围内( 测量 数据从略) ，铝粉的最大漫反射比p n l a x = 7 3 9 5 最小为p m i t l = 6 6 6 4 ，两 者相差1 0 ；而硫酸钡的p 九m a x = 9 7 6 2 ，p 九m i i l = 8 0 0 9 ，二者相差2 0 。 由图3 1 亦可以看出在长波方向铝粉的漫反射比也比硫酸钡平坦得多。因此可以 说铝粉的光谱选择性比硫酸钡小得多。 ? ? ，| 囊厂一 ，一， ； 硫酸钡7 ；锅耪 ? 图3 2 漫反射比对比图 因此用铝粉作为积分球内壁涂料是一个合理的选择。 n m 丑藤遐瞢j 浙江大学硕士学位论文 3 2 2 吸收比的修正 对于此项修正，可以由两种方法来完成。它们分别是基于外部和积分球自 身结构方面的考虑，下面我分别对这两种方式进行说明 辅助灯法1 4 j 在测量时我们可以引入一辅助光源，它可以消除由于所测光源的尺寸不同、 挡屏和支撑杆等吸收引起的测量误差。 如图3 3 所示，先装上辅助灯和标准灯，只点燃标准灯，可测得窗口的照度 e 。，应符合： 巨。石刍f 南中，；t 中， ( 1 ) 式中，也为积分球常数。 有： 图3 3 辅助灯法 取出标准灯，放上待测灯，并点燃待测灯，可测得窗口的照度矗，也应该 臣。赤南吨。也啦 ( 2 ) 由于标准灯与待测灯的尺寸不同，它们的吸收也不相同，故两次测量时的积分球 常数也不相同，即屯，e t 。 再将待测灯熄灭，点燃辅助灯，可测得窗口的照度为： e 。- 乞垂。 ( 3 ) 浙江大学硕士学位论文 取出待测灯，放上标准灯，并点燃辅助灯，测得照度为： - 也m 。 ( 4 ) 由式( 1 ) 、( 2 ) 可得： 卟每枣 由式( 3 ) 、( 4 ) 可得： 丝；生 ( 6 ) e mk 。 将式( 6 ) 代入式( 5 ) ，可得： 卟争争咆 ( 7 ) e 。e n s 以该式计算待测灯的辐通量，就可以修正光源尺寸不同和其他物件引起的 测量误差。 改进积分球的结构i 目 辅助灯法虽然操作起来简便易行，并且可以很好的修正吸收误差，但同时 也相当于我们在测量的时候又要多引入一些吸收源( 灯、挡屏以及电线等) ，从 而产生不可预期的误差。所以最好能有一种方式，一方面可以很好的修正吸收误 差，另一方面又不会引入新的吸收源。要想做到这一点，也许如下图3 - 4 所示的 方式会是一个很好的选择。 图3 4 改进过的积分球结构图 1 7 或其他 定的光源 浙江大学硕士学位论文 如图中所示的那样，我们不需要将标准灯点在积分球中，而是在积分球上 再开一个小窗口，将标准灯点在积分球外，这样就可以消除由于标准灯与被测灯 尺寸不同所造成的吸收系数的差异了。而且本装置也可以不用标准灯，只要是任 一发光稳定的光源均可用来做比较测量。具体测量方式如下所述： 首先待测灯熄灭，并预热标准灯将其点燃，然后转动转轮，将照度计2 转 到上方狭缝位置，即图中虚线所示位置处。此时狭缝处的照度值e 可以由照度计 2 测量得到，因为我们在积分球上所开窗口的面积a 亦可以测得，所以进入到积 分球中的辐通量大小可以计算得到：中t 一e 。 继续保持被测灯熄灭而标注等点燃，转动转轮是标准灯的光可以透过狭缝 进入积分球中，这时可以由照度计1 测量得到照度值e ， 西；兰t 卫( 8 ) 锄r 2 1 一d 其中巾。= m 。 最后将狭缝挡住，点亮被测灯，这时候亦可以由照度计1 测量得到照度值 匠，可表示为： t = 熹南 c 9 ， 比较( 8 ) 、( 9 ) 两式可得到待测灯的辐通量： 中。= 每呻。一每呻t 舌。e 一4 t c ，。， 其中r 一詈即可视为挡屏等带入的吸收比。 丘j 综上所述，此种测量方法可以很好的消除由于测量光源与标准光源的尺寸 不同所引起的吸收误差，并且不会附加带入其他吸收源。同时也能消除由于挡屏、 支撑杆和接线架等造成的吸收，所以这可以称得上是一种对积分球进行得种十 分理想地改进。 在我们所设计的测量系统中，由于第二种方法要从球的自身结构进行改进， 所以对积分球的加工要求要有很高的工艺：而且测量时要在球的外部点灯，所以 不可避免地会引入杂散光的影响；再加之信号会比较弱，所以最后我们采用了第 一种方式对吸收比的不同进行修正。 浙江大学硕士学位论文 3 3系统结构 上述积分球原理中，曾假定球内壁是均匀的理想漫射面，实际上这是很难 做到的，而且球内还有支撑杆、接线架、灯头、挡屏及窗口等物，因此上述原理 是近似的。系统结构如图3 5 所示，框图如3 6 所示。 图3 5 测量系统结构图 3 3 1积分球部分 图3 6 系统框图 如上图3 5 所示，灯c 通常放在球的中心，挡屏位于灯与窗口之间，由图 可见，加了挡屏后，灯发出的光不能直接到达球壁的a b 处，同时球壁的e d 处 的漫射光也不能直接经过窗口射向探测器，因此挡屏在球内的位置应该使a b 和 1 9 浙江大学硕士学位论文 e d 的面积为最小。实验理论证明，当挡屏离球心的距离为t 3 时，a b 和e d 的 面积为最小。挡屏的尺寸应该由光源的最大尺寸决定，只要能挡去光源直射到窗 口的光线即可【q 。 3 3 2光谱仪部分 此测量系统所用到的光谱仪采用了国际上先进的全光谱法以及光谱光度 法，可用测量各种光源及显示器件的光谱功率分布、色坐标x 和y 、相关色温t c 、 色纯度、主波长、峰值波长、带宽等参数。它原理上满足c i e 及相关国家标准的 要求，光谱范围为：2 0 0 i l m 8 0 0 n m ，采用了国际上最先进的高灵敏度“长波增强 型光电倍增管”。具有灵敏度高、动态范围宽、方便与各种微机连接等优点。 此光谱辐射分析仪的结构图如图3 7 所示，主要由滤光片盘，光栅单色仪， 高灵敏度光电探测器，信号处理和控制电路及单片机系统等组成f 7 l 。 图3 7 光谱分析仪结构图 1滤光盘 主要作用是对测量的复合光预分光，消除光栅的次级衍射光谱，减少系统 的杂散光。它分成六个区域，对应的功能如下： 白：2 0 阻2 7 0 n m 光谱区；紫：2 7 睢3 5 0 l i m 光谱区； 兰：3 5 0 4 5 0 l l m 光谱区；绿：4 5 肌6 5 0 1 l m 光谱区； 红：6 5 肌8 0 0 玎皿光谱区；黑：挡光片，零位采样； 2 0 浙江丈学硕士学位论文 2光电探测器 探测器采用光电倍增管，其灵敏度可通过调节高压而改变，一般最佳使用 高压为，5 0 0 v 到一6 5 0 v 。 3光栅单色仪 主要作用是将入射的复合光分成一定波长的单色光。出射单色光的波长由 步进电机驱动，波长步距可选择1 蛳、或5 r m ；自动采样可选择1 n m 或5 衄。 单色光的带宽由单色仪的入射狭缝和出射狭缝的宽度决定。当狭缝宽度为 1 8 5 蛐时，对应的波长带宽为5 m 。 单色仪的波长由两级精密霍尔传感器定位，一级初定位波长为7 9 5 n m ，二 级精定位波长为8 0 0 ，0 1 1 m 。另外，在短波和长波两端设置了波长扫描超位检测， 保护传动机构。 4信号处理和控制电路 系统中有主测量光谱信号和参考光监测信号。两路光电流信号经过放大、 处理后，送到单片机系统中进行采样工作。 控制电路接收单片机控制信号，控制步进电机波长扫描和滤色片切换：检 测波长位置，以及波长扫描超位信号，读取滤光片编码，检测放大器量程等信号。 5单片机系统 该系统主要有以下几方面的功能： 通过r s 一2 3 2 c 串行接口与p c 微机交换命令、传送采样数据； 向控制电路发送控制信号，同时读取各种状态检测信号； 采集光谱信号、参考信号及光电倍增管上的高压值。 3 4系统软件 我们利用v b 语言编写的这套测试软件，它可以完成测量控制、数据显示、 处理和打印，以及光谱校正等工作。其中各模块相互配合可对整个测量过程进行 控制并给出处理结果。 3 4 1主界面 打开程序后，系统启动后首先进行波长自动定位，此时所有按钮均为灰色。 当系统完成初始化工作之后，所有按钮恢复成为黑色字体，可以开始进行测量工 作。系统主界面如图3 8 所示： 浙江大学硕士学位论文 它的主要功能是显示最后的测量结果一有效紫外辐通量和紫外辐通量，并 绘制出光源的光谱分布曲线以及色度图。而且还可以显示出光源的电参数、光色 参数以及采样间隔等等参量。最主要的是它还可以给出紫外光源分别在a 、b 、c 三个波段的紫外辐射通量 3 4 2参数设置 图3 8 系统主界面 系统启动以后应首先进行参数设置，点击右下角的“参数设定”按钮，弹 出下图的界面： 浙江大学硕士学位论文 本参数设置部分共有5 个页面可供选择，分别进行不同类型参数设置( 如 下图所示) ，可用鼠标点击对应文字，相应的选择框会被选中，同时系统会切换 至设置页面。下面分别介绍各个页面的设置方法。 卜确稍| ：【面一i 幕垂萼磷i 两遁蘸醺一两溺暮画i 藕籀遥蘸f _ j i 图3 1 0 参数设定选择项 1 扫面选项设置 在本页面，主要进行扫描选项设置。设置内容如下图所示： 舻每欹测试后均进行波长偏差自检 每次测试后均进行波长位置自动定位 ：9 测量时使用参考信号 爹测量时进行紫外杂光校正 r 光谱信号过小，更换档位后重新铡量。 r 洌0 量后返回起始波长 广光谱测量时使用j 2 错前光谱档位设定 光猎档位：f 习 图3 1 1 扫描选项设置页面 “每次测试后均进行波长偏差自检”，选中此选项系统完成测试后会 自动进行波长自检，当出现波长失步时，系统会提示“波长自检偏差”， 此时测量结果不可信，应重新测量； 浙江大学硕士学位论文 “每次测试后均进行波长位置自动定位”，此功能是与上述功能共 同使用的，选中此项，系统完成测试后，会自动回复至仪器的初始状态 ( 8 0 0 n m ) ： “测量时使用参考信号”，选中此选项则测量过程中利用参考信号对 测量结果进行修正； “测量时进行紫外杂光校正”，此功能在进行紫外光源测量时会自动 进行杂光校正； “测量后返回起始波长”，选中此选项测量结束系统会回到设置的测 量起始波长位置。 2 端口设置 在本页面，设置内容如下图所示，选择各部分实际连接到计算机的通讯端 口号。 图3 1 2 端口选择页面 3 测试信息设置 在本页面，设置内容如下图所示，在相应栏内输入制造商、测试日期、测 试人员及审核人员信息即可。 制造商r 测试日期| 二! 蒜菝r 测试人员厂 审核人员广一 渐江大学硕士学位论文 图3 1 3 测试信息设置页面 4光谱仪软件设置 在本页面，设置内容如下图所示，从中选择自己测试时所需要的波段及色 温。 越始波长臣口m 缚止浚憔l ! ! 一 撼描阍隔巨 蛐 图3 ，1 4 光谱仪软件设置 起始和终止波长用于确定仪器的扫描范围，通常默认的扫描范围是起始波 长为2 0 0 m ，终止波长为8 0 0 n m ，采样间隔5 n n i 。如果在色温选择中选中了某一 色温，比如6 4 0 0 k ，那么每