第6章 辐射测量的基本仪器.ppt

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 3 1棱镜单色仪6 3 2光栅单色仪6 3 3使用单色仪的几个问题 6 4分光光度计和光谱辐射计6 5傅立叶变换光谱辐射计 光学平台 面包板 优质铝合金 铁磁不锈钢表面 蜂窝状支撑内芯的结构 固定支撑隔振平台 自动平衡型充气平台 3个真空管水平调节阀自动平衡 自动平衡精密隔振光学平台 采用二层气囊隔离 自动充气 高性能隔振平台 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 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 6 1光度导轨 有精确的轴向距离刻度和标尺 光度导轨的主要功能 6 1光度导轨 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 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 用光源加上相距一定距离的透射 漫射屏 可得到透射 漫射特性近似朗伯的均匀辐亮度源 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它方法 如加中性密度滤光片改变光阑孔径等 不能或不能精确实现的 由于在光度导轨上调节的参数是距离 不会改变光源的光谱分布 不考虑中间大气的影响 而一般加入光阑等很难同时做到精确又连续可调 光学平台 支杆式高度调节器 螺旋高度调节器 透镜架 光学平台 万向关节台 旋转台 单自由度与三自由度 平移台 摆角器 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 6 1光度导轨 例如 有效工作长度为3m的光度导轨 若其最近工作距离为0 3m 则辐照度可连续变化100倍 6m有效工作长度的光度导轨则可使辐照度等连续变化400倍 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 6 1光度导轨 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 和光源的尺寸确定最近工作距离 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好于0 05 即1m测量距离的距离误差小于0 5mm 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 5m 相对距离误差 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 例如钨带灯 共线时 可由A点作为灯丝位置距离测量的基准 此外 灯丝平面 待测表面应垂直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 1距离规 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 E2与面元2在球内的位置无关 即球内任一面元发出的辐通量在球内各内表面形成的辐照度值正好等于该辐射通量除以球的内表面面积 6 2积分球 P96习题 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 如图6 6 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 具有朗伯漫射特性的涂料 表面A上某一面元dA的反射辐亮度LA和辐照度EA存在关系 球内表面某一面元dA 上的辐照度dE0为 入射辐射通量 经表面A漫射在dA 上的一次漫射辐照度 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照到球内其它部分 如图中dA 等 再由其部分漫射到dA 的二次漫射辐照度dE L 是面元dA 的反射辐亮度 面A对dA 的一次漫射辐照度贡献也是E0 6 2积分球 6 2积分球 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 i 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 式中 s是积分球内表面面积的总和 耐心哟 6 2积分球 由表面A的反射辐亮度经球内三次 四次 N次 N 对dA 辐照度的贡献分别为 2E0 3E0 故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时 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4 立体角内的总辐射通量 6 2积分球 使用注意事项 6 2积分球 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 遮蔽屏应当涂上和积分球内表面相同的涂层材料 如果球内有吸收光的表面 例如灯泡泡壳 则应当满足 一学就会 使用注意事项 6 2积分球 涂层光谱反射比对积分球出射光的光谱特性有很大影响 若设 0 98 照度的相对变化率约为反射比相对变化的50倍 即涂层材料光谱反射比的少量变化 会引起出射辐照度相当大的变化 为此 应当选用光谱反射比近似平且朗伯漫射特性好的材料作为涂层 常用的有硫酸钡 氧化镁 海伦 聚四氟乙烯 等 其光谱反射特性在可见光和近红外相当平坦 漫射特性在小于60 以内很好 反射比高达0 98以上 使用注意事项 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 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 球内脏物对辐照度值的影响就较小 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 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 m的平均反射比高达0 94 只是在11 8 m处有一吸收带 其朗伯漫射特性和硫酸钡等相近 图6 7 使用注意事项 6 2积分球 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 8 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 因此 出射窗口的尺寸和积分球应当有一定的比例 经验表明 如果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 9是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 76m 出射窗直径是0 3m 可以看出 相对辐亮度分布差异可达2 6 图6 8窗的位置及影响 图6 9某定标积分球出射窗口的辐亮度相对分布 6 3单色仪 单色仪用来将具有宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光 因而它既可作为一个可调波长的单色光源 也可作为分光器 单色仪是利用色散元件 棱镜 光栅等 对不同波长的光具有不同色散角的原理 将光辐射能的光谱在空间分开 并由入射狭缝和出射狭缝的配合 在出射狭缝处得到所要求的窄谱段光谱辐射 6 3 1棱镜单色仪 透射镜头色散的影响 实际系统多采用凹面辐射镜 无色差 棱镜单色仪以最小偏向角状态工作 此时虽然色散角较小 但整体工作性能较好 最小偏向角 由入射狭缝出来的单色光入射到棱镜与棱镜射出的光与棱镜两棱边具有有相同或相近的夹角 6 3 1棱镜单色仪 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 6 3 1棱镜单色仪 在可见谱段 玻璃的色散值随波长 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加 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 图6 11可见谱段色散材料的色散曲线 图6 12红外谱段色散材料的色散曲线 6 3 1棱镜单色仪 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 角色散为 式中 t是三角形棱镜底边尺寸 a0是沿缝高方向光束的口径 dn d 是棱镜材料的色散值 主要性能指标 6 3 1棱镜单色仪 主要性能指标 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 f 2是第二物镜的焦距 6 3 1棱镜单色仪 主要性能指标 光谱分辨率定义为 d 表示波长为 和波长为 d 的色光刚能分开的能力 对于某一波长 其与相邻色光刚能分开的d 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d d a0 则棱镜理论分辨率 即对应狭缝宽度趋近于零时 棱镜的最大理论分辨率和棱镜的尺寸以及棱镜材料的色散成正比 实际上 由于物镜有一定的像差以及要得到一定出射光能量 狭缝需要有一定的宽度 加上杂散光等的影响 实际单色仪的分辨率比Rmax小 6 3 1棱镜单色仪 入射狭缝和出射狭缝的宽度对光谱分辨率和出射辐射通量影响 图6 13入射缝宽对像平面上光谱辐照度分布的影响 设某光源有两条相邻的谱线 在一定入射缝宽时 它们在出射缝平面上的辐照度分布如图6 13 a 当入射缝宽增加时 两谱线在出射缝平面上像宽度也增加 入射缝宽增加到一定程度时 两光谱线的像互相重叠而不能区分 图6 13 b 6 3 1棱镜单色仪 入射狭缝和出射狭缝的宽度对光谱分辨率和出射辐射通量影响 图6 13入射缝宽对像平面上光谱辐照度分布的影响 如果把入射缝宽逐渐减小 两谱线在出射缝平面上的像宽度也减少 但由于最小像宽由两个物镜的衍射限及缝的衍射限所决定 图6 13 c 若进一步减少入射缝宽 只能使像的辐照度降低 而不能使像宽减小 图6 13 d 所以要获得最大分辨率 使谱线有满意的辐照度 入射缝宽应使谱线如图6 13 c 6 3 1棱镜单色仪 入射狭缝和出射狭缝的宽度对光谱分辨率和出射辐射通量影响 出射光谱辐照度随入射 出射狭缝宽的变化 当a a 图 a 时 波长 0 入射狭缝宽像为a的光谱能量能全部透过出射狭缝 而波长 0 d 0 设在d 0内色散值不变 的光谱能量完全不能由出射狭缝射出 出射狭缝的光谱能量相对透射值为三角形 即单色仪出射光谱能量是入射狭缝像光谱能量与出射狭缝的卷积 同理 当a a时 图 c 谱段变宽 辐照度增大 一般认为 单色仪出射的平均光谱宽度是相对透射值为最大值一半时所对应的光谱宽度 故当a a时 平均光谱宽度不变 而只有a a时 才加宽 6 3 1棱镜单色仪 在单色仪中 理想情况下要获得最大的光谱分辨率和较大的辐照度 应使入射狭缝