光谱辐射度计实验指导

一、实验目的
（1）掌握光谱辐射度计测量光谱参数的原理； （2）了解 PR-655 型光谱辐射度计的原理与使用。
二、实验原理
PR‐655光谱辐射度计通过物镜或者其他光学配件有效收集光学辐射信号（光信 号）。光信号通过反射镜上的孔径光阑到达衍射光栅（参见图2）。光栅把光按波长展 开，就像棱镜把白色的光转换成彩虹一样。一个宽带光，例如太阳光是由很多不同波 长的光组成的。当衍射光栅暴露在这种类型的光下，它将从多角度反射光线产生一个 分散的光谱就像一道彩虹。类似地，如果光栅接触了一种单一光源，比如一束激光， 那么只有激光的特定波长的光会被反射。
图1
PR‐655 简化方框图
图2
PR‐655 光谱辐射度计
图3
PR‐655 光谱测量范围
PR‐655 测量波长范围是380 nm～780nm（即电磁波的可见光谱段）（参见图3）。 衍射光谱到达CCD探测器。PR—655探测器是由128个单元组成，每个探测器单元均代表 不同的颜色。测量时，辐射光通过自适应灵敏度算法在某个特定的时间内被取样测量。 自动适配感应器自动地根据光信号的强弱确定合适曝光时间。光测量后，探测器用同 样积分时间再次测量探测器的暗电流，然后从每个探测器单元的光测量结果中减去暗 电流的光信号贡献值。 仪器出厂时已通过相应的校准系数校准光谱数据。校正系数包括波长精确度修正、 光谱分布修正和光度修正。波长校准采用的是具有特征光谱的氦灯光源。线光源提供 了已知的光谱发射谱线通过光栅分光后投射到多探测器上再通过软件显示。用于波长 校准的氦谱线包括388.6nm，447.1 nm，471.3 nm，587.6 nm，667.8 nm，706.5 nm 和 728.13 nm，接下来，可用光谱校准系数校准这些数据。这些校准系数确保被测目标光 谱能量分布（SPD）和由此计算出的数据（比如CIE 色度值）经过了正确的溯源。最后， 校准系数（光度系数）确保光度测试结果的准确性，如亮度或照度。 校正后的光谱数据用来计算光度和色度值包括亮度， CIE 1931 x,y 和1976 u’,v’ 的色坐标。相关色温和主波长。以下是一些基本的光度色度参数计算公式：
图9
仪器安装菜单
图 10 参数设置菜单
（4）文件设置：进入主菜单，选择“File Settings” 。将“Auto Save”选项选设 为“Auto Save ON” ；对于“SD File”选项，选点“New Files” ，然后输入原始测试 数据文件名，此后的测试数据就会自动选择保存在该文件中；将“ Save unsaved measurements to SD card on shutdown”选为“ENABLED” 。
七、参考资料
[1] 郁道银，谈恒英．工程光学．北京：机械工业出版社，2011 [2] 金伟其等.辐射度光度与色度及其测量. 北京：北京理工大学出版社，2006 [3] 安连生，李林，李全臣．应用光学．北京：北京理工大学出版社，2000
附录：CIE1931－XYZ 色度系统
1. 标准色度观测者光谱三刺激值 颜色感觉是由于光辐射源的或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。 因此， 颜色 不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。关于颜色的测量和标准应该符合人 眼的观测结果。但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有差异，因此要 求根据大量的观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据，称 为“标准色度观测者光谱三刺激值” ，以此代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学 的测量和计算。 CIE（国际照明委员会）1931 年在 RGB 系统的基础上采用设想的三原色（X） ， （Y） ， （Z） ［分别代表红色，绿色和蓝色］ ，建立了 CIE－1931 色度图，同时将匹配等能光谱 各种颜色的三原色数据标准化，确定 CIE1931－XYZ 标准色度学系统。三原色不能由其 他色混合得到，三原色的波长如下：红：700nm，绿：546.1nm，兰：435.8nm 2. CIE1931 色度图 CIE1931－XYZ 色度系统是色度学基础。任何一种颜色均可以用 CIE1931-XYZ 色度 图中它的色度坐标 x,y 和刺激值 Y 来表示。 附图 1 为 CIE1931 色度图。 色度图中的弧形曲线上的各点是光谱上的各种颜色即光 谱轨迹，是光谱各种颜色的色度坐标。红色波段在图的右下部，绿色波段在左上角， 蓝紫色波段在图的左下部。图下方的直线部分，即连接 400nm 和 700nm 的直线，是光 谱上所没有的、由紫到红的系列。靠近图中心的 C 是白色，相当于中午阳光的光色， 其色度坐标为 X＝0．3101，Y＝0．3162。 设色度图上有一颜色 S，由 C 通过 S 画
x
X X Y Z
（4）
y
（3）CIE 1976 u’, v’：
Y X Y Z
（5）
u 4 X / ( X 15Y 3Z ) v 9Y / ( X 15Y 3Z )
（6） （7）
三、实验装置
本实验采用PR‐655型光谱辐射度计。该仪器由美国Photo Research公司生产，设 计独特，使用方便，应用广泛。这种独特的电池供电便携式仪器采用快速扫描光电传 感器阵列，配置一个 3.5 彩色触摸屏显示器，AutoSync技术可以自动同步光源的刷新 频率，从而最大程度上确保精确度。其它特性还包括：预留的外部触发器端口可以允 许用户通过一个按钮开关或外围设备就可实现远程激活测量，一个SD卡可以实现测量 数据的储存，以及超过12小时续航时间的可充电锂离子电池。
图 14 SpectraWin2 操作软件窗口
2. 实验内容 选择对日光灯管、显示屏、墙壁等主动发光或被动发光（反射）物体进行测试， 利用 SpectraWin 2 操作软件绘制出光谱能量分布曲线，并求得有关光度学和色度学参 数值（如亮度、色坐标 CIE 1931 x,y 及主波长等） 。
五、注意事项
表 2 可测光斑尺寸
表 3 可测亮度范围
仪器外观及说明见图 5：
图 5 PR-655 光谱辐射度计外观及说明
四、实验操作与内容
1. 实验操作
图 6 初始界面
图 7 系统菜单界面
（1）开机：安装好仪器的电池和镜头。打开仪器的电源开关，LCD 亮起，显示开机
界面，进行初始化。初始化完成后，按显示屏左上角的“Menu” ，显示主菜单（System Menu） 。 （2） 校准触摸显示屏： 按菜单中的 “Utilities” ， 显示 Utilities 菜单。 按 “Calibrate Touch Screen” ，显示校准窗口。用尖头物轻点屏幕左上角的“×”形标记的中央。然 后，根据提示在其他位置重复轻点 8 次。按“Back”2 次，返回主菜单。
（1）CIE XYZ 三刺激值和光度：
X 683 S ( ) X ( )( )
380
780
（1）
Y 683 S ( )Y ( )( )
380
780
（2）
Z 683 S ( ) Z ( )( )
380
780
（3）
式中，X、Y和Z是CIE 的三刺激值。X表示红色，Y是绿色，Z是蓝色。 Y 还可表示光度值——在使用标准的MS-75 镜头时，Y 给出的是cd/m²——国际亮度单 位（英制亮度单位是Footlamberts，简写为fc。1fc = 0.2919 cd/m²）。 683是将流明（lm）转换成瓦（W）的一个常数。对于亮场环境（白天），555nm处683 流明等同于1瓦的功率。
图 11 数字存储卡文件设置
（5）调焦：调整目镜，使观察窗口中的黑圆点最为清晰。将物镜对准被测物体， 调整物镜焦距，使观察窗口中的被测物体最清晰。调整测试仪与被测物体之间的距离， 使黑圆点落在被测物体之内（占据其最小宽度的 50% ~ 80%） 。
图 12 光阑对准
（6）测试：对准目标，按仪器上的“MEASURE”按钮，即进行测试。测试完成后， 屏幕上显示结果。然后，根据提示将结果保存到 SD 卡中（格式为“mea”文件） 。最后， 关闭仪器的电源开关。
图 8 校准触摸屏
（3）参数设置：要访问参数选择菜单，可通过触摸菜单左上角的Menu，进入系统 菜单 （System Menu） ， 或者点击左下角的Back 直到菜单出现。 进入主菜单， 按 “Setup” ， 显示Setup窗口；按“Instrument Setup” ，显示Instrument Setup窗口，根据需要进 行设置。然后，按系统菜单中的“Preferences” ，显示Preferences窗口，根据需要进 行设置。
光谱辐射度计实验
辐射度学、光度学及色度学（以下简称“三度学”）是现代光电信息转换、传输、 存储、显示、测量与计量技术的基础，正如“应用光学”和“波动光学”构成光学技 术的基础那样，“三度学”已成为现代光学／光电信息工程的基础。光谱辐射度计则 是“三度学”中常用的一种检测仪器。 光谱辐射度计可以测定主动发光物体（光源）或被动发光物体（反射）的相对光 谱能量分布（光的辐射强度与波长的关系曲线） ，以及“三度学”中的关有参数，如光 谱辐射能量（或强度） 、亮度、照度、色坐标、色温、主波长、色纯度、显色指数，„„， 等等。因而被广泛应用于物质的成分分析、材料的结构研究、光电检测、照明工程、 建筑、纺织、印染、造纸、印刷、化工、家电、食品等行业（领域） 。可以说，凡涉及 到光与色的地方，都可能用到光谱辐射度计。
图 13 测试结果显示
（7）数据处理：小心地将仪器中的 SD 卡取出，用读卡器将其连接到 PC。双击 PC
屏幕上的“SpectraWin 2”图标，启动程序，点击程序主菜单中的“File” ，选择 File 菜单中的“Import” ，弹出 Import 窗口；在 Import 窗口中选“PR-655/670/680：Open File” ，点击“OK” ，弹出 Measurement Import 窗口，然后在该窗口中选择 SD 卡（或 已拷贝到 PC 硬盘）中的数据文件（ “mea”格式） ，点击“Import” ，即可将测试数据导 入 SpectraWin 2 窗口。这时，可根据需要对数据进行分析和处理（如保存为“Excel” 、 “txt”或“swb”文件等） 。