第6章 辐射测量的基本仪器

LA EA /
球内表面某一面元dA上的辐照度dE0为
dA dA d d dE0 LA 2 2 4R 4 R dA 4 R 2
图6-6 积分球内任一 点的辐照度
6.2 积分球
入射辐射通量经表面A漫射在dA上的一次漫 射辐照度
E0 dE0
d 4 R 2 4 R 2
图6-6 积分球内任一 点的辐照度
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
E0 dA dE0 L dA 2 2 4R 4 R
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。
6.1光度导轨
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。
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。
6.1光度导轨
相对距离误差
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。
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。
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。
图6-1 距离规
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。
6.2 积分球
使用注意事项：
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 图6-7 硫的光谱反射比及漫射特性 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 3~12m 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)。 涂层
图4-7 积分球内任一面元 的直射辐照度

理想积分球
理想积分球的条件：
①积分球的内表面为一完整的几何球面, 半径处处相等 ②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 ③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
6.2 积分球

理想积分球
积分球（光通球或球形光度计）结构： ①内部空的完整球壳,内壁涂白色的漫射层
有精确的轴向距离刻度和标尺
6.1光度导轨
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：
保持轴向对准
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。 光度导轨的特点是其它方法 ( 如加中性密度滤光片 精确地确定测量部件之间的轴向距离，以便用辐照 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 度平方反比定律连续、精确地改变某一平面处的辐 谱分布(不考虑中间大气的影响)，而一般加入光阑 照度(照度)。 等很难同时做到精确又连续可调。
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
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
(1 fi ) i fi
i 0 i 0
图6-2 光度导轨上标定待测光源的装置
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。
图6-2 光度导轨上标定待测光源的装置
图6-3 Lummer - Brodhun 目视光度计的结构
6.2 积分球
使用注意事项：
涂层 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，
( ) ( ) E ( ) 4 R 2 1 ( )
E ( ) 1 ( ) E ( ) 1 ( ) ( )
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。
dl d f 2 d d
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
6.2 积分球
使用注意事项：
出射窗口 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％。
②球直径按待测灯尺寸和功率大小而定,直径 D=1m、2m、3m等
③球壁上开一小窗口,其直径d∝r(灯的尺寸） ④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
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：
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
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
在可见谱段，玻璃的色散值随波长λ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。
n
n
图6-6 积分球内任一 点的辐照度
E0 dE0 E0 4 R 2
E0 2 dA 4 R E0 2 s 4 R
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
6.2 积分球
使用注意事项：
球内遮挡屏与物 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
积分球内表面面积 吸收表面的吸收比 有吸收物体的表面积 积分球涂层的吸收比
图6-6 积分球内任一 点的辐照度
E E0 E0 2 E0

E0 1 1 4 R 2 1
当光源在积分球内，积分球是个完整漫射球表面时，
f
i 0
n
i
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0,
E
4 R 2 1
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。
精确确定轴向距离
获得近似朗伯源
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。
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。
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 6.4 分光光度计和光谱 辐射计 6.5 傅立叶变换光谱辐
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
射计
6.1光度导轨
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：
6.3.1 棱镜单色仪
主要性能指标：
角色散
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
d t dn d a0 d
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
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
图6-4 光度计两侧反差随 LA/LB的曲线
6.2 积分球integrating sphere
中文名称：积分球 英文名称：integrating sphere 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。
11
6.2 积分球
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。