（测试计量技术及仪器专业论文）辐射测温中干涉滤光片光谱特性研究.pdf

摘要 光电高温计是复现和传递国际温标高温区的重要基准和标准计量仪器。干涉 滤光片是此类仪器中决定光谱特性的关键器件。其光谱特性的测量水平及稳定与 否对温标复现有重要影响。该研究工作是我院首次对高温基标准领域应用的干涉 滤光片进行较系统的专门实验研究。 本研究旨在对辐射测温基准、标准中应用的干涉滤光片光谱特性进行较系统 的基础实验研究，以积累实验数据，改进测量方法，为进一步提高温标复现和传 递水平提供实验依据。并配合高温技术改造项目和9 0 0 n m 亮温标准的建立及比 对进行前期的实验准各。 本文介绍干涉滤光片的基础理论及其在国内外辐射测温基标准领域中的应 用与光谱特性测量的研究现状。 选取辐射测温基准和标准光电高温计中常用的名义中心波长为6 6 0 姗和 9 0 0 n m 的带通干涉滤光片作为主要研究对象。根据现有的实验设备，选择适合的 干涉滤光片光谱透过率测量方法，搭建干涉滤光片光谱透过率测量系统。测量并 分析干涉滤光片光谱透过率实验重复性。分析计算干涉滤光片光谱透过率随环境 温度变化以及光谱特性的长期稳定性。 重复性测量实验结果表明：( 1 ) 9 0 0 姗干涉滤光片光谱透过率、中心波长以 及有效波长的测量重复性优于6 6 0 l l m 干涉滤光片。以此波长建立国际温标，在 有效波长确定方面具有优势。( 2 ) 6 6 0 m 干涉滤光片在截止区的光谱透过率测量 重复性水平对确定有效波长的影响很大；而9 0 0 1 1 m 干涉滤光片在透过率变化很 大的区域，光谱透过率测量重复性水平对确定有效波长的影响大可有针对性地 改进实验方法，或采用滤光片组合提高截止区的截止深度，减小透过率测量水平 对有效波长确定的影响。( 3 ) 目前的实验系统在透过率测量过程当中光学系统各 部分发生相对位置的变化，且对测量结果有较大影响。 实验测定干涉滤光片中心波长温度系数：6 6 0 n m 干涉滤光片为o 0 2 5 l l m ， 9 0 0 n m 干涉滤光片为o 0 3 2 n i i l 。该结果与国外文献和厂商的数据相近。温标复 现时若环境温度变化1 ，将对温标产生不能忽略的影响；应修正有效波长随环 境温度的变化或控制干涉滤光片温度至o 1 左右。 标准光电高温计有效波长及探测器输出计算值s 的长期变化量相对于标准光 电高温计的不确定度来说，数量较大，不能忽略。 根据上述结论，从两方面入手提出进一步改善光谱透过率测量水平应解决的 问题和提高温标复现水平可采取的措施。 关键词：光谱特性，干涉滤光片，光谱透过率，辐射测温 a 6 s 妇c f a sak e yc o n s t i n 圮n to fp h o t o e l e c 啊cp ”o m e t e r i n l 腑r c n c ef i l t e rd e t e r m i i l c s g r e a t l yt l l es p e c 删c h a r a c t e r i s t i c so f p h o t o e l e c t r i cp y r o m e t e rw i l i c hw o r k s 嬲p r i m a r y s t a n d a r d 卸ds t a n d a r dm 咖l o g y m s 饥】1 1 1 e n ti l lt h e 咒a l i z a t i o n 姐d 订a i l s f e ro fm c i n t e m a t i o n a lt e m p e r a t i l r es c a l ei i lm em g eo fl l i g l lt e m p e r a t u r e t h es p e c 删 c h a r a c t e r i s t i c sm e a s u r e m e ml e v e l 址证t t l es t a b i l i t yo fi n t e r f 毛r e n c ef i l t e rh a v e m l p o l 切me f f e c to nm er e a l i z a t l o no fm eb 舱r 尬t i o n a lt e m 饼戚【札r es c a l e as y s t e m i c e x 弘慨mr e s e a r c ho nt l l ei 1 1 把r f b r e n c e 丘l t e 糟a p p l i e di nh i g ht e m p e 朔t u r cp 血n a r y s t a n d a r di sc 枷e do u ta tn a t i o n a lh l s t i t u t co f m e 自l o g yf o rt t l cf i r s tt i n l e t h i sd i s s 哪a t i o na i m sa 土t h es y 鼬e m i c 如n d a i 难札t a le x 饼椭e mr ；e a r c ho n 也e s p e c 叫c l l a m c t e r i s t i c so fi n _ 耐b r e i l c ef i l t e 幅l l s e di nm d i a t i o nt 1 1 锄o m e t r yf o r l e p u r p o 辩o fc x p e r i m e md a t a c 唧l l l a t i o n ，m e 硒u r e m e mm e t h o di r n p r o v e m e n t w 1 1 i c h w o l i l dp r o v i d ee x p e r i m e n tb 越i sf o r 血r 吐1 e ri n l p r o v e m e mo f 砌i 枷o n 龃d 衄s f e ro f t h ci n t e m a t i o n a it c m p e 船n l r es c a l e t h i se x p e r i m e n t 把a r c hp r 0 、，i d e se a r l i c r c x p e r i m e mp r e p 缸a 石o nf b rt t l eh i g l lt e m p e 阳t l l 地t e c h n i c a l 地n o v a t i o np r o j e c ta n d 也e t e i i l p e r a 帅r es c a l ef o u n 蜥o n 缸dc o m p a r i s o no fr a d i a n c ct e m p e r a t u r ci n9 0 0 m p r o j e c t 、c 1 1 t h eb 鹳i c 也e o r yo fi n t e r f b r 蛆c e 右l t e ri s 曲的d l l c e di nt h i sd i s s e n a t i o na n dt i l e d o m e s t i ca i l do v e r s e a sr e s e a r c hs t a n 培o fi n t e r f 打e n c c 丘i t 盯sa p p l i c a d o ni nf a d i a t i o n t h e m l o m c 旬呵p r j m a r ys t 础r d ( s t a n d a r d ) a i l dt h em e a s m e ml e v e lo fi n 舱r f b r e n c e f i l t e r ss d e c 饷lc h a r a c t e r i s t i c sa r ed e s c r i b e d s p e c 删c h 甜a c t e r i s t i c so fb a n d p a s si n t e r f b r ；e n c ef i l t e 馏w 训hn o 加j i l a lc a l t c f w a v e l e n g mo f6 6 0 咖姐d9 0 0 唧a r ed i s c 邺dp a n i c l l l a d yi nt h i sd i s s e 眦i o ni n c o n s i d e 枷o no f 也ee x i s t i n ge q l l i p m e n t ，a 把a s o n a b l cs p e c 叫仃锄1 s m i n 觚c c m e 硒u r e m e mm e t h o di sa d o p t e d 觚dam e a s u 姗e n ts y s t e mi sb u i hl l p t 赡s p e c 臼甜 戗m 1 i t 呲c s 茁em e 够u r c da n dt h ee x p c r i m e n ti e p e a t d b i l i 钾o fm e a s u r 锄e mi s a n a l y z e d t h es p e c 砌仃姐s m i t t a n c ev a r i e 竹o fi n t e r f e r e n c e 矗l t e 璐c a u s e db ya m b i e n t t e m p e r a = n 】r e 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糟c o e f f i c i e mo fc e n t e rw a v e i e n g t l li s o 0 2 5 n r t l f o r6 6 0 mb a i l d p a s si m e r f e r e n c ef i l t e ra i l do 0 3 2 m i l f o rn l e9 0 0 唧 b a n d p a s si n t e r f e r e l l c ef i l t e r ，w 1 1 i c ha r ec l o s et ot t l o s ep u b l i c i z e db y0 v e r s e a sl i t e r a t i l r c 柚dm a n u f k m r e r s t h e 卸曲i e mt 锄p e 忸m r ev a r i c t yo f1 d l 面n gr e a j i z a t i o np r o c e s s o fm ei n t e m a t i o n a lt e m p e r a t i j r es c a l ew o u l dc a u i 趴o r a b l ee 丘b c to nr e a l i z a l i o n r e s u h t h u s ，t h ee f r c c t i v ew a v e l e n 础c o n e c t i o ns h o i l l db em a d eo r 锄b i e m t e m p e r a ：c l l r ev a r i e t ys 均u l db ec o n t r o u e dw i t h i no 1 c o m p a r e 耐t hm em e 鹤u r e n l e mu n c e r t a m t yo fs t a i l d a r dp h o t o e l e c 廿i cp y r o m e t e r ； t l l el a n g t e 肌v a r i e t yo f 血ee 仃毫c t i v ew a v e l e n g m 缸dd e t e c t o r ，so u t p u tss h o u i d n tb e i 掣l o r e 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否对温标复现有重要影响。该研究工作是我院首次对高温基标准领域应用的干涉 滤光片进行较系统的专门实验研究。其目的是为进一步提高温标复现与传递水平 积累实验数据，为改进测量方法提供实验依据。 辐射测温法是非接触测温中应用最广泛的一种。辐射测温不影响被测物体的 温度分布；理论上无测量上限；可以进行动态和快速测量。 普朗克黑体辐射定律是辐射测温的理论基础，普朗克定律表明在热平衡状态 下黑体光谱辐射亮度三a ，乃与热力学温度r 和真空中黑体辐射波长a 间的函数关 系： 三( 名，r ) = 式中，c l 为第一辐射常数，数值为3 7 4 1 8 lo 1 6 w m ，c 2 为第二辐射常数，数值 为1 4 3 8 8 l o 2 m k 。根据普朗克定律，通过测量某一已知波长2 下黑体的光谱辐 射亮度三a ，d 就可得出黑体的温度t 。 1 9 9 0 年国际温标( r r s - 9 0 ) 规定银凝固点( 9 6 1 7 8 ) 以上温度z 孙用普朗克黑体 眠驴揣2 等 刁 利用银凝固点复现r r s 一9 0 时，7 颤x ) = z 如( a g ) = 1 2 3 4 9 3 k ( 9 6 1 7 8 ) 对于确 定的波长，通过测量光谱辐射亮度比三仉) 三以( a g ) ) ，就可确定9 6 1 7 8 以 上温区的温度1 “”。 实际温标复现中由于采用带通干涉滤光片作为单色器，测量的是在光谱区间 n l 一2 】内的光谱辐射亮度定积分之比。引入有效波长概念后，将其等效为光谱辐 射亮度之比： 黑：嬖竺坚竺 ( 1 3 ) 工( t ，瓦) j ! z 工( a ，瓦) f ( a 江( 五) d a 、 式中r q ) 为探测器的光谱响应，奶为干涉滤光片的光谱透过率，九为有效波长【”。 第一章前言 复现温标时由有效波长误差酞与由此引起的复现温标的误差r 为： 盯= 等t 钉即) 等 4 ， r 一瓦五 式中，厶为有效波长，厶为有效波长误差，r 为被测温度，r 为有效波长误 差引起的温标误差；死为参考温度。 由式( 1 4 ) 可知，有效波长误差厶直接导致影响温标复现的误差，而单色器 的光谱透过率是影响有效波长的最主要因素，所以单色器的光谱透过率测量测量 水平及是否稳定对复现温标的有效波长有直接影响。 有效波长为6 6 0 衄和9 0 0 眦时，由有效波长误差引起的温标复现的温度误 差，结果见表1 1 。计量院在复现银凝固点以上温标时，有效波长的合成标准不 确定度l l c = o 0 3 6 衄。延伸温标到1 7 0 0 时合成标准不确定度u = o 1 ，其中有 效波长不确定度贡献o 0 6 4 ，为不确定度来源分量中的最大一项1 2 】。 因此研究对有效波长有显著影响的干涉滤光片光谱特性是复现国际温标的 需要。 表1 16 6 0 咖和9 0 0 m 有效波长误差引起的温标复现的误差 4 物6 6 0 m9 0 0 n m 璐 o o lo 1o 5l0 o lo 1o 3l l 0 0 0- o 0 0 3- 0 0 2 9 - o 1 4 4o 2 8 8 - 0 0 0 2 o 0 2 l- 0 1 0 6 0 2 l l 1 5 0 0o 0 0 5o 0 4 9 o 2 4 4o 4 8 8 0 0 0 4 o 0 3 6o 1 7 9o 3 5 8 2 0 0 0 0 0 1 9o 1 8 8o 9 3 91 8 7 70 0 1 4o 1 3 80 6 8 81 3 7 7 2 5 0 00 0 3 9 o 3 8 81 9 4 03 8 8 00 0 2 9o 2 8 51 4 2 32 8 4 6 以银凝固点1 2 3 4 9 3 k ( 9 6 1 7 8 ) 为计算参考温度 1 2 研究目的 中国计量科学研究院承担着我国研究、和建立和传递国际温标，参加国际比 对，保证我国温度量值准确统一与国际一致的任务。 本研究旨在对辐射测温基准、标准中应用的干涉滤光片光谱特性进行较系统 的基础实验研究，以积累实验数据，改进测量方法，为进一步提高温标复现和传 递水平提供实验依据。并配合高温技术改造项目和9 0 0 姗亮温标准的建立及比 对进行前期的实验准备。 1 3 研究内容 选取辐射测温基准和标准光电高温计中常用的名义中心波长为6 6 0 啪和 9 0 0 n m 的带通干涉滤光片作为主要研究对象 根据现有的实验设备，选择适合的干涉滤光片光谱透过率测量方法，搭建干 涉滤光片光谱透过率测量系统。测量并分析干涉滤光片光谱透过率实验重复性。 分析计算干涉滤光片光谱透过率随环境温度变化以及光谱特性的长期稳定性。 2 第二章干涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 第二章干涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 2 1 干涉滤光片理论基础 2 1 1 干涉滤光片概述 滤光片是指用于在连续光谱中透过一定宽度的光谱带或在线状光谱中用于提取某 些辐射的材料或器件。根据构成材料不同可分为玻璃、塑料、气体、溶液等类型。根据 应用原理分为吸收、干涉、反射、折射、衍射、偏振等类型。经常使用的是干涉滤光片 【3 】。 干涉滤光片是利用多光束干涉薄膜系原理制成的光学薄膜器件。经过膜系理论的设 计可提供确定的窄的通带或很陡的透射曲线，即在需要的波长上有很高的透射，在不需 要的波长上有低的透射【5 】根据光谱特性分为长波通、窄带通、宽带通、短波通等类型。 如图2 1 所示： 正坦纽乜 长渡通窄带通宽带通短波通 图2 i 干涉 滤光片光谱透过率曲线类型 2 1 2 干涉滤光片的结构 光谱特性曲线的透射带两侧邻接截止区的干涉滤光片，叫做带通干涉滤光片。为得 到通带最宽的滤光片，最合适的结构是把长波通滤光片和短波通滤光片组合成带通干涉 滤光片。但是对于通带较窄的滤光片，这种方法就不很成功，因为很难得到预期的通带 定位精度和边缘陡度，因此需要使用别的方法。 从光学薄膜技术发展的角度来看，最有意义的进展是1 8 9 9 年出现的法布里一珀珞干 涉仪结构，它已成为带通干涉滤光片的一种基本的结构形式。法布里一珀珞滤光片是一 种最简单也是最常使用的窄带干涉滤光片，它是在法布里一珀珞干涉仪的原理基础上经 过改进后的形式。法布里一珀珞滤光片具有近乎三角形的通带，而且发现通过串置组合 简单滤光片的基本结构，可以象调谐电路那样，改变滤光片通带的形状，这些组合滤光 片根据组合结构中简单滤光片结构的数目称作双半波滤光片、三半波滤光片【们。 利用法布里一珀珞干涉滤光片说明带通干涉滤光片的基本原理，其结构如图2 2 所 示。 第二章千涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 入射光束 透射光束 图2 2 干涉滤光片结构原理图 金属 介质 金属 光束入射到薄膜结构上，薄膜结构由两层部分透射的薄金属层和光学厚度为a ，2 的 介质间隔层组成，波长i 是希望得到的最大的干涉滤光片的光谱透过率的波长，透射光 束组分将是同相的，只要它们的光程差等于波长的整数倍或有以下关系： 2 珂dc o s 口7 = ，珂旯 ( 2 1 ) 式中盯l 是介质折射率； 扣为介质厚度； 口，_ 是光束在介质内的角度； 卜一是代表干涉级的整数。 当占，_ 旬时，满足一伽硼o 抛) 的条件波长对应峰值透射率，即光学厚度等于半波长的 整数倍。出现峰值透过率的最大波长为2 = 知怯而在波长互= 知铆加上出现谐波峰值。对 于光学厚度不等于半波整数倍的波长，对处于异相条件下的光束大部分能被反射回去。 且可知峰值波长与入射角( 通过目，体现) 有关其它类型的干涉滤光片都是在法布里一 珀珞干涉滤光片结构上的进一步改进【3 1 。 2 1 3 干涉滤光片中薄膜的特性们 干涉滤光片是由光学薄膜组成的光学器件，所以薄膜的特性直接影响干涉滤光片的 性能。 光学薄膜滤光片的理论设计中一般有很好的性能，然而实际光学薄膜器件的性能达 不到理论期望的水平。是由于淀积薄膜时其折射率和厚度不可能控制的非常精确，但更 重要的因素是薄膜材料和大块材料之间的性能差异。在光学薄膜的设计计算中，一直认 为薄膜是各向同性的均匀的平行平面层，把薄膜看作是厚度方向受限制的大块材料。实 际薄膜或多或少地偏离这种理想模型。薄膜的所有特性，包括光学的、机械的、以及抗 激光损伤的性能都不如同样成分的块状材料。而且薄膜在大气环境中随着潮气的吸附， 其光学的和机械的能都要变差。 薄膜暴露在大气中后，由于潮气吸附使得折射率随之增加，即薄膜的光学厚度随之 增加。因而膜层的特性向长波方向漂移。在单层膜中，这种潮气吸附几乎是瞬间发生的。 4 第二章干涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 但在在多层膜中，这一层膜的气孔并不总是与下一层膜的气孔直接相连接的，潮气的渗 透常常是缓慢而复杂的过程。膜层达到平衡需要多至几个星期的时间。此后，随着环境 条件的变化，例如温度、湿度的变化，膜层的性质将显示出不稳定性。 滤光片暴露在大气中，波长向长波的移动量显著地随薄膜材料和光谱区域而变化。 在红外区，薄膜较厚，而且作为高折射率材料的许多半导体材料都具有较高的聚集密度， 所以潮气侵入引起的波长漂移一般要比可见和紫外光谱区小。在可见区向长波漂移的量 可达1 0 2 0 衄。随着膜层趋向稳定，这种漂移才逐渐停止。这种特性常称为老化或稳 定性。 在镀膜过程中决定金属膜和介质膜结构的重要参数是基片温度与蒸发物熔点温度 之比。只要基片温度低于蒸发物熔点的0 4 5 倍左右，热蒸发的光学薄膜都具有显著的柱 状结构。这种柱体从基片开始沿着薄膜的生长方向一直延伸到薄膜的外表面，薄膜横断 面的电子显微照片已经无可怀疑地揭示了几乎所有光学薄膜都具有显著的柱状结构，薄 膜类似由许多直径为数百埃的小柱体紧密地聚集在一起构成的，如图2 3 所示。 图2 3 干涉滤光片中光学薄膜微观结构图所有柱体颗粒的外表面形成了比薄膜大 得多的内表面。对于光学厚度为可见光区的波长的四分之一的一层薄膜，其内表面的面 积大约是通常外表面面积的l o 倍。而且柱体之间留下了大小从数埃到数十埃的贯穿的 毛细孔空隙。 用来度量空隙的量是聚集密度p ，定义为： p ：导 ( 2 2 ) 矿 ”一7 式中：v s 为膜层固体部分的体积，即柱体体积； v 为膜层总体积，即柱体体积与空隙体积之和。 聚集密度的测量是简单的通过把薄膜暴露于相对湿度1 0 0 的环境中，并测量水汽 吸附量来实现的。实际测得到光学薄膜的聚集密度大约从0 7 5 到接近于1 。薄膜的折射 率与聚集密度有关，若粗略的用一级近似表示，则有： = 以+ ( 1 一p ) ( 2 3 ) 式中：影为薄膜的折射率；为实心柱体的折射率，通常取块状材料的折射率值：m 是 空隙内介质的折射率；干燥空气或真空即为1 ，注满潮湿水汽则为1 3 3 。薄膜暴露于大气 环境中，柱体颗粒表面会吸附潮气，更由于毛细凝聚现象，达到临界半径的空隙内会注 满液体水。所以固体薄膜实际上并不全是固体，它是固相、液相和气相的混合物。 即使是聚集密度为o 9 的薄膜，它仍然有1 0 的体积空隙，因而薄膜的折射率将随 环境的变化而变化。只要环境是不加控制的，那么有1 0 体积空隙的薄膜的性质也是无 法控制的。这种不同于块状材料的特殊的薄膜构造决定了薄膜的光学和机械性能以及随 5 第二章干涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 着时间的变化等性能都不如块状材料。 薄膜的特殊构造所带来的潮气吸附是光学薄膜技术中的主要问题，它是使薄膜光学 和机械性能变坏和不稳定的主要原因 2 1 4 带通干涉滤光片光谱透过率特征参数【8 】 带通干涉滤光片的光谱特性通过光谱透过率表现，即可以通过光谱透过率的变化反 映光谱特性的变化。对干涉滤光片光谱透过率特性的研究可以通过研究其光谱特征参数 进行。以下列出带通干涉滤光片的主要的特征参数。 霉 t r _ ， 图2 4 带通干涉滤光片的主要的特征参数图 t 一透射过干涉滤光片的辐射通量西与入射到干涉滤光片的辐射通量o o 之比称为干涉滤 光片的透射率，f m 仲o ： 其中最大的透射率称为峰值透射率。；k ；对应于峰值透射率的波长称为峰 值波长k ； 知对应于透射率为o 5 t 。的两个波长o i l 2 ) 之和的一半称为中心波长，郾知= o i 蚓2 ) 2 ； 她j 一对应于透射率为o 5 k 的两个波长的间隔称为通带半宽度，即 如，= 也巩： 如l 一对应于透射率为o 1 的两个波长的间隔，即知l = 厶如； 如o i j 时应于透射率为o o l 岛。的两个波长的间隔，即厶o l 司如； 2 1 5 环境因素对干涉滤光片光谱特性影响 环境因素对干涉滤光片光谱特性的影响主要是环境温度和湿度的影响。 环境温度对干涉滤光片光谱特性影响，主要是由于干涉滤光片薄膜中的间隔层的热 胀冷缩引起的折射率的变化，使得中心波长随环境温度增加向长波方向漂移嘲。 表2 1 给出一些公司带通干涉滤光片光谱特征参数随环境温度变化情况，可知干涉滤 光片中心波长环境温系数值通常在o 0 1 o 0 3n j i l 之间。 6 第二章千涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 表2 1 环境温度对带通干涉滤光片的光谱特征参数影响睁1 2 l 公司名称名义中心波长范围中心波长温度系数峰值透过率温度系数 o p t o m e t c s e a l n q ge l e c t r 0 o p t i c s m i c r o c o a t i n g 一 小于0 0 l m i l ， 4 0 0 ，6 0 0 咖0 0 2 o 0 3m 1 1 ， 可见光范围 0 0 1 2 - o 0 2 f l ， o n e l 一0 0 l - o 0 3m n 0 o l k “， b w b e m 一”j 指出实验室室温变化可引起干涉滤光片光谱特性的变化。干涉滤光片 峰值透过率的温度系数约为0 0 3 ，不同型号的干涉滤光片可以有更高的数值，可能 与其所用的保护玻璃种类有关。而对于波长漂移的温度系数约为+ 0 0 2 n i i l 。 环境湿度对干涉滤光片光谱特性影响是由于空气中的水分子侵入薄膜结构，使薄膜 的折射率变化引起的干涉滤光片光谱特性不可逆的变化。制造厂商通过改进封装工艺， 尽量减小环境湿度的影响并且许多干涉滤光片产品通过美国军标 m m s r d 8 l o c m e t i l o d 5 0 7 的测试要求。 h e a t i l 和h i l s en r a _ t l l 【l 卅考察l d ( 离子辅助淀积) 类型带通干涉滤光片的稳定性， 研究光谱透过率在不同温湿度环境条件及一1 3 5 到+ 1 0 0 的温度循环下的变化情况。 将1 1 块该类型滤光片置于相对湿度9 5 ，温度8 5 条件下4 8 小时后，再置于相对湿 度1 5 ，温度7 条件下2 4 小时，比较前后的中心波长、半宽度和峰值透过率，得出 干涉滤光片的峰值透过率受温度循环的影响最大可达士1 0 。结果见表2 2 和图2 5 。 表2 2 温度对滤光片特征参数的影响 f d t 盯c a m 缸 a m 笋m c n l w a w l 蚰鲜hw a ”蚴” t n & 蝣缸雠 r a 吐of w 蹦( 衄)r 栅of w l i m f n m 、：4 5 0 。c r p c a k2 r c lr 5 0 。c 1 ，1 。f 2 4 。a2 4 。c，o 。c 。：4 c 3 4 ，20 0 4 0 4 4 6o9 8 237 8 1 0 0 0 5 ：5o00 3 o 7 7 20 9 8 94 2 01 眦 6 0 0 o0 0 6 o3 9 30 9 4 4 9o 9 9 8 6 5 30 0 50 7 2 0 0 9 ，64 5 lo 9 9 6 1 0 200 7 0 6 9 ll0 0 34 5 7o ，9 9 6 7 第二章千涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 图2 5 高温湿度环境前后干涉滤光片透过率变化 2 2 干涉滤光片在辐射测温中的应用和研究现状 2 2 1 有效波长理论概述【1 5 j 温标复现中通过引入有效波长概念来解决使用有限带宽的单色辐射时利用普朗克 定律测量温度问题。使干涉滤光片的光谱特性测定与温标复现的准确度联系起来。 平均有效波长的定义为： 型迎：! ! 坚：圣兰! 坐! 竺坚 上( 五，五) f 三( a ，五) f ( 五皿( 五) 以 ( 2 4 ) 式中：九称为温度间隔m ，列的有效波长或平均有效波长。式( 2 4 ) 在理论上是完全严 格的，不带有任何近似，且存在数学上的唯一性。把实际测量和理论公式联系起来。 引入有效波长，将普朗克公式代入上式有： 平均有效波长厶( 乃，乃) 的引入，使得测温仪器在有限光谱带宽下对温度为乃和乃 的黑体测量光谱辐射亮度比值等效为温度为乃和乃的黑体在该有效波长下的光谱辐射 亮度之比。它把实际应用中有限带宽的测量与黑体单色辐射理论联系起来。 在满足c 砝p 1 条件时，普朗克公式可以用形式比较简单的维恩近似公式替代，即 ( 五，d = = 导e x p ( 一第 ( 2 6 ) 石 8 寒鬻 南 第二章千涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 将维恩近似公式代入式( 2 4 ) ，可得： ! 竺：至! ：竺竺竺翌兰：! ! 互型( 2 7 ) j ! - - - 一= - ；二一 、，j r 砸删咧伽e x p ( 轰) 根据维恩公式，可以得出有效波长的函数表达式： 五。：妾塞 j 。工( 五，l ) f ( 旯) r ( a ) d 五 五，( r ) = ，l ! 乎，a 。( l ，l ) ( 2 9 ) j 叶j ”拦磷 o ) 利用数值计算方法计算平均有效波长和极限有效波长，可以使用辛普森近似积分公 式计算。若被积函数为户，辑) ，设 = ( 6 一口) ，2 n ，t = 口+ 加，f = o ，l ，2 n 则其在积分区 间hb 中的定积分为： r ，( z ) = ；l 瓴) + 4 喜i 而。+ 2 霎厂( 毛) + 厂瓴) ( 2 - 1 1 ) 在所需的区间雎l 一2 】计算出某一温度下三o ，df 以) r ，卫和三a ，刁f r 的定积 2 2 2 干涉滤光片在辐射测温中的应用 干涉滤光片作为单色器不仅应用在温度基准复现中，还广泛应用在各类辐射温度计 中。 中国计量科学研究院( n i m ) 在复现金点以上的i p t s 6 8 温标时，光电比较仪使用的 干涉滤光片峰值波长为6 6 l n m ，最大透过率为4 0 ，透过率由d 3 4 0 分光光度计测量i l “。 在建立1 9 9 0 年国际温标( i t s 9 0 ) 时使用6 6 0 哪和9 5 0 n m 干涉滤光片作为直流光电比较 仪的单色器【i7 】。 美国国家技术标准研究院( n i s d 复现亮度温度基准中光电高温计使用两块中心波 长为6 5 5 3 嘲的干涉滤光片组合作为单色器，该单色器具有非常窄的光谱带宽，其峰外 透过率低于峰值透过率六个数量级。第一块光谱带宽l 咖，为三谐振腔( 三半波) 类型。 第二块光谱带宽1 0 m ，为四谐振腔( 四半波) 类型。直径均为5 0 8 锄。滤光片的规则光 谱透过率利用n i s t 传递量值分光度计在4 0 0 n m 副1 2 蛳波长范围以o 2 n m 的间隔测 9 第二章干涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 量。n i s t 光电高温计滤光片透过率见图2 6 【l s 】。 图2 6n i s t 光电高温计使用的滤光片透过率 l p 3 线性直流光电高温计，内部结构见图2 7 。物镜产生一个聚焦在视场光阑上的 像。通过小孔的光束经过凸透镜后转换为平行光，使得滤光片处于平行光照射之下。使 用装在转动轮上的若干窄带通干涉滤光片作为单色器【1 3 l 。 啪f m o i 抽t p h o t o c h 抽r - h ih f g i l k 埘p 图2 7l p 3 线性直流光电高温计结构图 n p l 计数高温计的单色系统中使用安装在干涉滤光片转动轮上可切换的五块干涉 滤光片，测量时使用其中的一块，干涉滤光片的波长范围为6 6 0 n m 8 2 0 衄，半宽带为 0 3 1 0 岫【1 9 1 。 利用光电高温计建立低于1 0 6 4 4 3 的温标时，6 6 0 哪干涉滤光片的峰值透过率附 近需要测量到l 1 0 4 ，截止区测量到1 0 缶水平，可以达到合适的精度【2 0 l 。 2 2 3 干涉滤光片在辐射测温中的研究现状 由于干涉滤光片光谱特性是影响测温准确度的主要因素之一，国内外许多学者广泛 开展干涉滤光片光谱特性的研究。以下为光谱分析及辐射测温相关领域干涉滤光片光谱 特性的研究结果综述。 在光谱分析应用领域中干涉滤光片的光谱透过率通常是直接由分光光度计测量。 干涉滤光片计量检定规程【8 1 j j g8 1 2 1 9 9 3 中规定干涉滤光片光谱特征参数由分光光 1 0 第二章干涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 度计测量。 使用双光束光栅分光光度计测量光学滤光片光谱透过率伫1 1 为例介绍这种测量方法。 测量装置布置见图2 8 。 a h _ o _ t 图2 8g e m i o s 测量装置布置 入射光经半反半透镜分为参考光束和测试光束，分别投射到参考材料和被测材料 上，再经凸透镜后入射到硅光电二极管上，得到测量信号。 利用分度过的光学标准材料评价测量透过率曲线的重复性及作为一种二次分度分 光光度计的手段。并使用空气和全黑的试样作为已分度的参考样本分度分光光度计，而 波长刻度精度标定使用线光谱灯在6 5 6 n m 处分度，并用由其它分光光度计测量过的 s c h o t t4 0 4 7 m 的窄带干涉滤光片分度，得出波长的系统误差小于1 7 眦。测量五种光 学滤光片在不同入射角度不同入射区域的光谱透过率，提供了实验数据曲线，比较理论 设计的透过率和实际测量得到的透过率。并分析了光谱透过率测量的系统误差和不确定 度。 辐射测温领域中早期也是使用分光光度计测量干涉滤光片光谱透过率，测量后装入 测温仪器，由于干涉滤光片的光谱透过率与安装位置、测量光束入射角和滤光片的不均 匀性有关，这种测量方法不能保证在测温仪器中的状态与在分光光度计中的被测状态相 同，会引入较大的不确定因素，而且这些因素对有效波长的影响不能定量估计和修正旧。 所以后来建立透过率测量装置，直接在测温仪器中原地测量干涉滤光片光谱透过率。从 这个思路出发，国内外学者进行广泛和深入的研究。 指出干涉滤光片光谱透过率测量时应尽量保证无系统误差，需在光子计数高温计的 工作状态下原地测量干涉滤光片光谱透过率。测量的时间不宜过长，以免干涉滤光片和 探测器的温度变化会引入误差。此外，应有足够的测量点，并保证在整个光谱范围内测 第二章干涉滤光片理论及在辐射测温中应用研究 量点分布合理【l 。 根据普朗克定律测温的前提之一是准确