測量350～1 100 nm 光源光譜總輻射通量的標準裝置

趙偉強，劉 慧，閆勁云，蘇 穎，姜 琳

(中國計量科學研究院，北京 100029)

引言

光譜總輻射通量是光源全空間輻射通量的光譜密集度，是描述光源發光特性的量值之一。新型的帶有光譜輻射計的積分球裝置(以下稱積分球光譜輻射計)使用量日益增長，使用該測量裝置可以測量光源的光譜輻射總通量量值，并計算出相應的光度值和色度值。操作過程簡單快捷。特別是測量非國際照明委員會(CIE)標準A光源(例如LED、節能燈)，無需進行探測器的視覺函數失配修正，相對于傳統的配用硅探頭的球形光度計具有一定的優勢[1，2]。積分球光譜輻射計需使用光譜總輻射通量標準燈定標，這對計量量值體系提出了新的要求。為此，中國計量科學研究院進行了光譜總輻射通量量值復現和量值傳遞技術的相關研究[3，4]，建立了350～1 100 nm光源光譜總輻射通量測量標準裝置，實現了光譜總輻射通量量值的復現(絕對測量)和快速傳遞(相對測量)。本文將介紹積分球光譜輻射計的組成原理，討論該裝置的定標方法、量值傳遞過程，并給出測量結果不確定度評估的實例。

1 積分球光譜輻射計基本結構和原理

積分球光譜輻射計裝置一般包括光譜輻射計、光度計、積分球、控制計算機等，結構見圖1。

圖1 積分球光譜輻射計結構圖Fig.1 The Structure of spherical spectroradiometer

積分球的大小可根據被測光源的尺寸進行選擇，一般直徑為1.0～2.0 m，內部均勻地涂有反射率約為90%的漫反射涂層。擋屏位于光源和探測器D1、D2連線的中間位置，用于遮擋光源發出的光直接照射到探測器上。D1是硅光度頭連接光度計；D2是輻射照度收集頭，通過光纖把所收集的光線導入至光譜輻射計。探測器采集的光電信號傳輸至計算機，并由計算機通過程度計算出被測光源的光譜總輻射通量、光通量、發光效能、色品坐標、色溫等。

根據積分球理論[5，6]，位于積分球內部的光源在球壁內部形成的光譜輻射照度Ee(λ)正比于光源所發出的光譜總輻射通量Φe(λ)，見式(1)。

(1)

其中k(λ)表示兩者之間的系數。

采用比較法，用積分球光譜輻射計測量被測燈的光譜總輻射通量值。設標準燈的光譜總輻射通量為Φstd,e(λ)，被測燈的光譜總輻射通量為Φtest,e(λ)，所測得的光電流分別為Rstd,e(λ)和Rtest,e(λ)。Cabsp(λ)是兩者因形狀差異帶來的吸收修正系數。被測燈的光譜總輻射通量測量值計算原理可以用式(2)表示。

(2)

點燃輔助燈，經充分預熱，控制電參數，保持發光穩定狀態，分別安裝標準燈和被測燈在積分球中心位置，測量相應的光電讀數Rstd,aux(λ)和Rtest,aux(λ)，按照式(3)計算吸收修正系數。

(3)

2 測試步驟和過程

2.1 設備預熱

測量前，在積分球內點燃一支和被測燈功率接近的普通燈，烘烤球壁除去潮氣；同時預照光譜輻射計，使其響應度穩定。預照時間一般為30 min。

2.2 光譜輻射計的參數設置

設置光譜輻射計的參數，選擇合適的量程和波長范圍。采用陣列式電荷耦合器件(CCD)的光譜輻射計，設置光衰減片和積分時間，或者設定為自動量程，使得最大信號為滿量程的80%左右。工作的波長范圍根據標準燈和被校燈的光譜范圍確定，如350～1 100 nm。對于變化緩慢的寬光譜光源，間隔應小于或等于5 nm。對于準單色光源(如LED)或者帶窄光譜譜線的混合光譜光源(如熒光燈)，間隔應小于或等于2 nm。

2.3 積分球光譜輻射計的定標

積分球光譜輻射計的定標有兩種方法。第一種方法采用1只標準燈標定校準裝置的光譜總輻射通量光譜密集度常數,用另外2只標準燈驗證。第二種方法采用3只標準燈的平均值定標校準裝置的光譜總輻射通量光譜密集度常數。

1)定標驗證法。按照規定方式點燃光譜總輻射通量標準燈，讀取光譜輻射計相應波長點光譜響應值mstd,1(λ)。該標準燈在相應波長點的光譜總輻射通量值為Φstd,1(λ)，則得光譜總輻射通量的光譜密集度常數為

(4)

(5)

δi(λ)反映了燈組內各只燈的量值一致性和系統的測量重復性，應滿足表1所示的要求。若用于驗證的標準燈光譜總輻射通量標準值和測試值偏差值超過給定值，應重測或更換標準燈，并重新對系統進行定標操作，并重復前述的驗證過程，直至偏差值小于給定值。

表1 標準燈光譜總輻射通量一致性要求Table 1 The consistency requirement of the total spectral radiant flux

2)平均值法。規定方式分別依此點燃定標用的光譜總輻射通量標準燈。在選定的波長點測量光電讀數為mi(λ)(i=1,2,3)。該標準燈在相應波長點的光譜總輻射通量值為Φstd,i(λ)(i=1,2,3)，則波長點λ的光譜總輻射通量常數是每支標燈對應通量常數的平均值，即式(6)及式(7)。

(6)

(7)

(8)

2.4 測量及數據處理

系統定標后，測量被測燈時獨立裝調并測量讀數兩次。測量所得第1,2次被測燈的光譜輻射計的光譜光電流讀數是mtest,j(λ)(j=1,2)，則第1,2次被測燈的光譜總輻射通量見式(9)。

Φtest,j(λ)=K(λ)mtest,j(λ)Cabsp(λ)(j=1,2)

(9)

兩次獨立測量的偏差不應大于0.5%。若偏差大，應進行第3次測量或更多次測量。剔除離散值后重新計算偏差，直至偏差小于上述給定值。

該被測燈光譜總輻射通量結果為剔除離散值后兩次測量的平均值，見式(10)，即

(10)

3 不確定度評估

使用三支標準燈光譜總輻射通量光電常數定標光譜輻射計，被測燈光譜總輻射通量按式(11)計算。

(11)

按標準燈和被測燈均是24 V 100 W的鹵素燈，在350 nm、380 nm、555 nm、780 nm和1 100 nm處，各不確定度評估值見表2。

表2 光譜總輻射通量不確定度評估表Table 2 The evaluation table of the uncertainty of the total spectral radiant flux

4 實驗驗證

圖2 燈組的350～1 100 nm光譜總輻射通量常數相對偏差Fig.2 The of the 350～1 100 nm light source

5 結論

我們建立了一套用于測量350～1100 nm光譜總輻射通量的積分球光譜輻射計標準裝置，并用相對比較法實現光譜總輻射通量量值從標準燈至被測燈的快速傳遞。經實例評估，該積分球光譜輻射計在350～1 100 nm的擴展測量不確定度為Urel=3.1%～1.3%(k=2)，與國際先進計量機構報道的擴展測量不確定度的最新水平相當。