第6章-辐射测量的基本仪器VIP

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：,6.1光度导轨,有精确的轴向距离刻度和标尺,有精确的轴向距离刻度和标尺；1）可使部件之间轴向相对位置对准，并在其相对移动时保持对准关系；2）精确确定测量部件之间的轴向距离。,6.1光度导轨,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。,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。,11,中文名称：积分球英文名称：integratingsphere定义：光度测用的中空球体。在球的内表面涂有无波长选择性的(均匀)漫反射性的白色涂料。在球内任一方向上的照度均相等。,6.2积分球integratingsphere,E2与面元2在球内的位置无关，即球内任一面元发出的福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,理想积分球的条件：积分球的内表面为一完整的几何球面,半径处处相等球内壁是中性均匀漫射面，对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比球内没有任何物体,光源也看作只发光而没有实物的抽象光源,理想积分球,6.2积分球,积分球（光通球或球形光度计）结构：内部空的完整球壳,内壁涂白色的漫射层球直径按待测灯尺寸和功率大小而定,直径D=1m、2m、3m等球壁上开一小窗口,其直径dr(灯的尺寸）球上开一个小门,或打开个口方便装取灯,有接线架、灯头、挡屏等,理想积分球,6.2积分球,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),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和它的辐照度EA之间存在着关系：,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。,6.2积分球,可写出由表面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。,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,使用注意事项：,6.2积分球,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，,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反比，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2.5m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312m的平均反射比高达0.94，只是在11.8m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,典型的积分球,恒温积分球,直径：1.5m、2.0m球内控温精度（与球心在同一水平面并距球壁约10cm处的球内空气温度）：1,可旋转积分球,6.3单色仪,单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。,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,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,主要性能指标：,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。,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,f2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，则棱镜的最大理论分辨率,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,图6-14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+d0(设在d0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aa时(图(b)，谱段变宽，辐照度增大。,6.3.1棱镜单色仪,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aa时，平均光谱宽度不变；而只有aa时，才加宽。,因此，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，应使入射狭缝宽的像等于出射狭缝宽。此外，一般单色仪中，两个准直物镜的焦距f相同，因此，入射狭缝宽与其像尺寸相同，即a就是入射狭缝的宽度。,6.3.1棱镜单色仪,由光源射入单色仪的光谱辐射通量,式中，s1是第一物镜的通光面积；是由第一物镜所对入射缝面积的立体角，等于入射缝高h和入射缝宽a的乘积除以f1的平方;i为入射波长。设出射狭缝宽a允许入射狭缝处缝宽为di的光通过，则,，由此得单色仪的出射辐射通量,对于线光谱，出射光谱辐射通量与缝宽无关(缝要大于该谱线像的宽度)，则,6.3.2光栅单色仪,6.3.2光栅单色仪,参数：光栅的角色散线色散光谱分辨率,6.3.2光栅单色仪,6.3.2光栅单色仪,如果对应某一波长，使i=(列德洛自准直式安装)，且使i0，则(6-16)式，即在相当宽的光谱范围内角色散近似均匀光栅单色仪的优点(棱镜单色仪由于角色散是波长的函数，以致色散小的小谱区因其光谱分辨率低而难以应用)。,6.3.2光栅单色仪,各级光谱能量的分布如图6-17所示。由于通过光栅的能量大部分集中在无法使用的零级光谱，而其它谱级的能量迅速减弱。为了最大限度地提高光能利用的可能性，炫耀光栅得到了广泛的应用。,6.3.2光栅单色仪,每个刻痕的断面都相当于一个小反射镜，把光线反射到预定的方向上，就能使衍射的大部分光能量集中在所需要的某一光谱级次的波段范围内。具有这种特性的光栅称为定向光栅或炫耀光栅。,6.3.2光栅单色仪,。,与炫耀角对应的在m级光谱能量有最大值的波长称为炫耀波长，记为,使单个刻槽面衍射的中央极大和诸槽面间干涉零级主极大分开，将光能从干涉零级主极大，即零级光谱转移并集中到某一级光谱上去，实现该级光谱的闪耀。,6.3.2光栅单色仪,规定能量下降到炫耀波长对应能量的一半时两侧的所确定的波长范围作为可用光谱区,6.3.2光栅单色仪,例1：要测量0.41.1m谱段的辐射通量，应选什么样的光栅参数？,6.3.2光栅单色仪,cm-1,m,cm-1,cm-1,m,m,例1：要测量0.41.1m谱段的辐射通量，应选什么样的光栅参数？,选光栅N=600线/mm，则b=1/N=1.667m/线,=0.3519,光栅刻线倾角=108。,6.3.2光栅单色仪,为消除光谱级间的重叠常常使用分级元件(如滤光片、附加棱镜等),6.3.2光栅单色仪,例2：光谱范围为0.614m的单色光，求所需光栅块数及它们的光栅参数,波长(m)minBmax第一块光栅0.60.91.8第二块光栅1.82.75.4第三块光栅5.48.116.2,6.3.2光栅单色仪,为消除光谱级的重叠，仍可用例1中所说的适时加滤光片的方法。第一块光栅选N1=500线/mm,故b=2m/线,若用光栅炫耀角相同的第二、三块光栅，则它们的光栅参数为,m/线,N2=167线/mm,m/线,N3=56线/mm,6.3.2光栅单色仪,光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。,6.3.2光栅单色仪,6.3.3使用单色仪的几个问题,入射狭缝像的弯曲,6.3.3使用单色仪的几个问题,入射狭缝像的弯曲若使出射狭缝和入射狭缝等宽，则出射狭缝上的光谱辐亮度不均匀。当要求出射狭缝光谱辐亮度均匀时，出射狭缝应开得比入射狭缝窄(如图6-20中A-A限定的宽度)。有些单色仪的入射狭缝本身做成弯曲的形状，其目的也是使入射狭缝像和出射狭缝重合。,6.3.3使用单色仪的几个问题,杂散光的影响单色仪不可避免地会有内部反射及由于色散元件等表面上的灰尘、光学零件缺陷等造成的散射，使一部分光能不经色散元件而投射在出射狭缝上；色散元件表面的不平，刻线宽度周期性变化等，都会使一部分其它波长的光能散射到出射狭缝上。图6-23画出了一种单色仪的理想光谱透射及其实测曲线。用双单色仪可大大提高出射光谱的纯度。图6-24给出的双单色仪是两个单色仪的串接，第一单色仪的出射狭缝是第二单色仪的入射狭缝，于是散射到第一单色仪出射狭缝的非工作波长的光能在经过第二单色仪时，被色散元件偏向第二出射狭缝以外的位置，从而提高了出射光光谱的纯度。使用相同系统的双单色仪，其光谱分辨率可提高一倍，只是光能经过两级单色仪后，损失增大，故使用时光源应足够强。,6.3.3使用单色仪的几个问题,波长的标定单色仪经过一段时间的使用，由于温度影响、机械结构松动、固有的结构间隙等，使得单色仪的波长刻度往往与实际出射光的波长不能准确地吻合，定期进行波长标定十分必要。红外单色仪波长标定的过程大致相同，常用已知波长的线光谱灯或一些吸收谱线作为标定源。在近红外、中红外、远红外还用氧化钬等玻璃、聚乙烯或大气水气、二氧化碳等吸收谱线作为标定波长，激光光源也是很好的标定光源。标定可见谱段的波长时，由于一般谱线较亮，狭缝应尽可能窄(如0.1mm)。,6.3.3使用单色仪的几个问题,温度对测量的影响温度使材料的折射率发生变化，故仪器工作所在环境温度的变化应控制在土10C以内。尤其是红外分光棱镜，色散小，光谱分辨率低，温度变化引起的波长装定误差就更大。,6.4分光光度计和光谱辐射计,在光辐射测量中，分光光度计主要用于测量材料光谱反射比或光谱透射比。典型的系统有：双光束光学自动平衡系统(Opticalnullsystem)双光束电学平衡系统(Electricalratio-recordingsystem),6.4分光光度计和光谱辐射计,6.4分光光度计和光谱辐射计,6.4分光光度计和光谱辐射计,6.4分光光度计和光谱辐射计,用以测量光源光谱辐射度量的仪器叫光谱辐射计，其基本由比较光路、单色仪和探测显示系统组成。图6-27是贝克曼DK-2R分光辐射计的结构原理图，标准光源和待测光源分别放在两个灯室中，它们发出的光分别经过一石英漫射器(注意：球只是用于固定漫射器，其本身不是积分球)，再经反射镜照在摆动