（光学专业论文）光谱辐照度标准探测器的研制与应用.pdf

摘要 摘要 近年来基于探测器的光谱辐射精确定标方法和技术在光辐射度学、定量化遥 感等领域得到了广泛的重视和应用。本文主要研究用于标准传递的光谱辐照度标 准探测器及其应用，以建立溯源至低温绝对辐射计的标准传递链路，提高光谱辐 照度的绝对定标精度。 本文首先讨论了基于标准探测器的定标原理和技术流程。针对可见近红外波 段的光谱辐照度定标，本文采用硅陷阱探测器为核心研制了光谱辐照度探测器， 它具有高灵敏度、良好的线性和稳定性等优点。本文系统地描述了标准探测器的 光学、机械以及电子学系统的设计方案。光谱辐照度标准探测器的关键组成部分 滤光片辐射计，在不加温控的情况下，整体具有1 0 刁量级的温度系数，成为不确 定度的主要来源之一，因此设计了基于单片机的数字p i d 精密温度控制系统，温 控精度可达o 1 ，滤光片温度系数预期可降低到1 0 4 量级，有效地减小了环境 温度变换引起的不确定度。最后，对研制的光谱辐照度标准探测器各项性能参数 进行了不确定度分析，利用其完成了标准灯光谱辐照度测量实验，测量不确定度 小于1 4 。 实验结果表明光谱辐照度标准探测器定标系统具有精度高、性能稳定等特 点，为实现基于探测器的光谱辐照度标准传递提供了有效和可行的技术手段。 关键词：辐射标准传递；光谱辐照度；滤光片辐射计；温度控制 光潜辐照度标准探测器的研制与应用 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs p e c t r a li r r a d i a n c es t a n d a r d d e t e c t o r l ix i a o w e i ( o p t i c s ) d i r e c t e db yz h e n gx i a o b i n g a b s t r a c t ：i nr e c e n t y e a r s ，d e t e c t o r b a s e ds p e c t r a l r a d i a t i o nh i g ha c c u r a c y c a l i b r a t i o nm e t h o da n dt e c h n o l o g ya r ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fo p t i c a l r a d i o m e t r i ca n dq u a n t i f i c a t i o n a lr e m o t es e n s i n g t h es p e c t r a li r r a d i a n c es t a n d a r d d e t e c t o ri sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r i tc a r lb eu s e df o rt h ee s t a b l i s h m e n to fr a d i a t i o n s t a n d a r dt r a n s f e rc h a i nt h a tt r a c e st oc r y o g e n i cr a d i o m e t e ra n dt h ei m p r o v e m e n to ft h e a b s o l u t ec a l i b r a t i o na c c u r a c yo fs p e c t r a li r r a d i a n c e i nt h i sp a p e r , t h ed e t e c t o r - b a s e dc a l i b r a t i o nt h e o r ya n dt e c h n o l o g yf l o wa r e d i s c u s s e d i nt h ev i s i b l ea n dn e a r - i rr e g i o n s ，t r a pd e t e c t o r sh a v em a n ya d v a n t a g e s o v e rs t a n d a r dl a m p s as p e c t r a li r r a d i a n c es t a n d a r dd e t e c t o rb a s e do nt r a pd e t e c t o r si s d e v e l o p e d t h ed e s i g np r o c e d u r eo ft h es t a n d a r dd e t e c t o ri sd e s c r i b e di n t e g r a l l y i n o r d e rt od e c r e a s et h es t a n d a r dd e t e c t o r st e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tw h i c hi so n eo ft h e m a i nu n c e r t a i n t ys o u r c e s ，t h ed i g i t a lp i dp r e c i s et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n m i c r o p r o c e s s o ri sd e s i g n e d i t st e m p e r a t u r ec o n t r o le r r o ri so 1 i tc a nd e c r e a s et h e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tt o10 4l e v e l ，w h i c he f f e c t i v e l yr e d u c e st h et e m p e r a t u r e r e l a t e d u n c e r t a i n t i e s i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , t h eu n c e r t a i n t i e so fe a c hp e r f o r m a n c e p a r a m e t e ro ft h es p e c t r a li r r a d i a n c es t a n d a r dd e t e c t o ra r ea n a l y z e d t h es t a n d a r d d e t e c t o ri sa p p l i e di nm e a s u r i n gt h ea b s o l u t es p e c t r a li r r a d i a n c eo ft h es t a n d a r dl a m p t h er e s u l ts h o w st h a tt h em e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t yi sl e s st h a n1 4 e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h es p e c t r a li r r a d i a n c es t a n d a r dc a l i b r a t i o ns y s t e m h a sh i g ha c c u r a c ya n dh i g hp e r f o r m a n c e i tp r o v i d e sa l le f f e c t i v ea n df e a s i b l e t e c h n i c a lm e a n sf o rt h er e a l i z a t i o no fd e t e c t o r - b a s e ds p e c t r a li r r a d i a n c es t a n d a r d t r a n s f e r k e yw o r d s ：r a d i a t i o n s t a n d a r dt r a n s f e r ；s p e c t r a li r r a d i a n c e ；f i l t e rr a d i o m e t e r ； t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i 知识产权声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产 权归属于培养单位。 本人签名：鹰政伟 第一章综述 1 1 辐射定标的意义 第一章综述 在辐射测量中，测量仪器相对于标准辐射源或标准探测器在量值、空间、光 谱和时间变化上的响应决定着测量的准确性和统一性，是影响辐射测量有效性的 重要因素。建立辐射测量仪器与标准源或标准探测器之间的响应关系即为辐射定 标【1 1 。 光辐射是光学遥感信息的基本载体。各种平台上光学传感器的几何和光谱分 辨能力都与其光辐射的准确测量能力直接相关。经过2 0 世纪7 0 一9 0 年代的技术 发展和积累，航天器平台和星载传感器本身的技术已渐趋成熟。世界发达国家在 空间遥感方面已不满足于仅仅判断目标的有和无，还要解决多与少的问题。近年 来的一个重要发展动态是力图实现由光辐射数据反演地面目标和环境的定量特 性参数，并由此建立相应的识别和测算数值模型。在此遥感信息定量化的过程中， 需要解决的第一个关键问题就是高精度辐射定标与标准传递技术。 辐射定标是建立空间传感器的输出与已知辐射量基准之间定量关系的技术。 它的主要作用表现为：1 ) 实现各类光学传感器从预研一工程研制一在轨运行的 全过程定标，保证传感器的精度能够满足应用需求；2 ) 统一不同平台、不同传 感器的辐射量化标准，使不同时间、空间条件下获得的遥感信息可以比对、转换 和融合；3 ) 通过动态监测，校正传感器的性能衰变，修正大气、照明条件、环 境变化等对测量结果的影响，保证测量结果真实反映目标和背景的特征。 2 1 辐射定标可分为绝对定标和相对定标两种方式 3 1 。绝对定标是对目标作定量 的描述，即指用光谱辐亮度、光谱辐照度和功率等来说明目标，必须用二级标准 源进行直接可比较的测量。卫星发射前在地面实验室或试验场要进行绝对定标， 使遥感器观测辐射亮度已知的均匀标准辐射源以获得定标数据。通常在可见光及 近红外波段内采用出光口径较大的积分球或漫反射板，而在热红外波段则用黑体 辐射源。卫星发射后，探测器元件老化或者工作温度变化都会影响到遥感器的响 应，因此也需要星上绝对定标。通常在可见光和反射红外区用电光源和太阳光作 为高温的标准辐射源；在热红外区则通常以卫星上的标准黑体作为高温的标准辐 光谱辐照度标准探测器的研制与应用 射源，以宇宙空间作为低温标准辐射源。 相对定标只需得出目标中某一点辐亮度与其它点的相对值。因为一般说来， 并不须要知道场景辐射的绝对值，而只要知道一个场景象元辐射率和其他场景象 元辐射率的相对数值，或知道在不同时间内测量的同一场景象元的相对辐射率， 或一谱段的光谱辐射率和另一谱段光谱辐射率的相对值就可以了。这些差值测量 所得的精度可远远超过定标源的辐射精度。这意味着，随时间的稳定性和重复性 要比和已知源的一致性重要得多。 发达国家空间遥感的定量化研究经验表明，2 0 世纪8 0 年代末以来低温绝对 定标技术、量子自定标技术、硅陷阱探测器标准传递技术以及替代定标技术的迅 速发展，将空间、空中和地面辐射测量的精度提高了近两个量级。高精度定标已 成为现代空间遥感的主要支撑技术之一。 1 2 辐射标准的传递 卫星传感器绝对辐射定标可分为发射前实验室定标、星上定标和场地定标三 种方法。但是无论哪一种方法都需要有高精度的初级标准、传递标准和工作标准 作为保障，即高精度辐射标准的建立是所有这些应用的基础，因此建立高精度的 初级辐射标准、传递标准和工作标准是我国卫星遥感应用及其它相关技术应用需 要解决的一个重要课题。由此可见辐射标准的建立、辐射标准传递和辐射定标是 密不可分的。 经典的辐射标准和辐射标准传递链的建立都是以黑体辐射理论为基础的( 如 图1 1 ) ，图右侧为各级标准的不确定度。 初级标准 0 6 4 次级标准 0 7 - 5 工作标准 l 一7 至巫蔓互亚e 测5 量仪- 1 0 器 图1 1基于辐射源的标准传递链 2 第章综述 黑体辐射标准可以追溯到1 9 世纪6 0 年代，当时德国物理学家g u s t a vr o b e r t k i r c h h o f f 首次发表文章描述了黑体辐射，之后w i e n 和l u m m e r 于1 8 9 5 年首次 实现了黑体辐射器标准器。因为黑体辐射器的光谱辐射随温度和波长的改变而变 化，其变化规律符合普朗克黑体辐射定律，因此黑体的光谱辐照度和光谱辐亮度 标准可以由其温度标准推得。这种实现方法最大的不确定度来源于温度的测量， 实际操作中由于温度很难控制，且温度的分布均匀性不好，因而其测量不确定度 较大。如图1 1 所示，经标准传递，到工作标准上的不确定度为1 一7 ，经过 多次标准传递，最终实际传递到光谱辐射测量仪器的不确定度已经达到了5 一 1 0 。 2 0 世纪八十年代随着低温绝对辐射计技术的成熟与发展【4 5 】，给有效降低次 级工作标准的不确定度开辟了新的思路。 低温绝对辐射计( h a c r ) 作为高精度辐射标准源。它是液氦制冷的电替代辐射 计( e s r ) ，是为反复和准确测量辐射功率而专门设计的。其锥管形的吸收腔内壁 涂覆了高吸收率材料，入射光在其中多次反射后接近于完全被吸收。吸收腔体处 于液氮( 7 7 k ) 和液氦( 4 2 k ) 两个杜瓦瓶的双层冷屏蔽下，隔绝了环境热辐射， 也使光、电加热过程达到极高的等效性。探测室部分使用了超导连线，在低温下 其欧姆损耗可以忽略。入射光使辐射计内部接收腔的温度升高，达到热平衡后挡 住入射光，用电加热产生同样温升所需要的电功率即等于实际的入射光功率。 因为低温绝对辐射计在2 5 0 n m 5 0 i t m 范围内测量辐射功率的不确定度约为 l x l 0 4 量级，其精度远远高于任何一种黑体辐射源，因此目前许多国家和国际间 标准化研究机构( o nn i s t ，n p l ，p t b 等) 正致力于低温绝对辐射计的高精度 辐射标准和标准传递研究工作。 但是低温绝对辐射计体积较大，操作困难、费用昂贵、不便于在日常工作、 实验中使用，由于其测量过程中对入射光的准直和强度有较高的要求，因此一般 只能采用激光作光源。因此我们必须在低温绝对辐射计的基础上，进行辐射标准 传递技术研究，将高精度的标准传递到更便于操作的标准器件和次级工作标准器 件上，使它们在一定的条件下也具有较高的精度，以便于日常使用。 随着半导体技术的发展，高质量的硅光电二极管相继问世。这种高质量的器 件具有高的灵敏度、好的线性，极小的漏电流和噪声，高的动态电阻，在加反向 光谱辐照度标准探测器的研制与应用 偏压的条件下它的外量子效率( 入射光转化为光电流的比例) 接近于l 。在这种 技术发展的前提下，2 0 世纪8 0 年代兴起了硅光电二极管自校准技术和光陷型硅 光电二极管组合自校准技术，这一新技术大大提高了光辐射测量的精度【6 】。 硅陷阱探测器是由数个硅光电二极管按一定的空间方位组合起来，经过多个 面的反射和吸收，射入器件内部的光基本上全部被吸收，反射的光仅占入射光的 十万分之几，达到完全可以忽略的程度，因此也称这种器件为全吸收的光陷阱器 件。 基于硅光电二极管的陷阱探测器因具体积小，操作方便和价格低廉等特性而 成为标准传递探测器的极好选择。这种新型的探测器在测量光功率或辐射功率时 具有极高的响应灵敏度和稳定性。如果以激光为光源，将这种光电探测器与低温 绝对辐射计做辐射功率响应比对，利用外推或内插的方法推导出光电探测器的光 谱辐射响应关系【7 ，8 9 1 ，从而可以建立起基于低温绝对辐射计的高精度的初级工作 标准。利用它们还可以实现辐射功率标准的国际问比对【l o , 1 1 , 1 2 。 图1 2 即为基于低温绝对辐射计和光电探测器的高精度辐射标准和辐射标准 传递链，图右侧为各级标准的不确定度。可以明显的看出，这种新型的辐射标准 的建立和传递将各级标准的不确定度降低了1 2 个数量级。 初级标准 0 0 5 - 0 0 2 次级标准 0 0 5 0 2 uuuuu 图1 2 基于探测器的辐射标准传递链 工作标准 o 2 - 1 测量仪器 o 5 5 对于一个完整的辐射定标系统来说，高精度的辐射标准是系统的前端，它可 以是标准辐射源或标准探测器。 辐射标准可以建立在标准辐射源之上，标准辐射源是具有较高精度的可以进 4 第一章综述 行标准传递的辐射源，它可以取自各种辐射，如：太阳、激光、白炽灯、同步辐 射光等等。传统的黑体辐射标准就是基于标准辐射源的标准。 辐射标准也可以建立在标准探测器的基础之上，光辐射探测器是将光辐射信 号转换为其它便于测量的物理量的器件，一般来说将光信号转化为电信号进行测 量。现在许多国家建立在低温绝对辐射计之上的标准就是基于标准探测器的。 低温绝对辐射计和陷阱探测器的出现使光谱辐射测量的原理和方法经历了一 次突破性的飞跃：低温绝对辐射计逐渐取代传统的黑体成为辐射度学的新型初级 标准已成为一种趋势，而基于探测器的标准传递链正在逐步取代传统的基于辐射 源( 如标准灯) 的标准传递链。 通过进一步改进硅陷阱探测器，使其可以非常精确地实现对光谱辐照度和光 谱辐亮度等辐射量的测量，从而可以使整个光度学标准建立在低温绝对辐射计和 陷阱探测器的高精度和高稳定度的基础之上。因此可以说，低温绝对辐射计的出 现和新的光电探测技术的发展为高精度辐射标准的建立带来了新的契机【1 3 ，1 4 1 。 1 3 光谱辐照度标准探测器国内外研究现状i l 习 如前文所述，光辐射标准传递方法通常有两种：一种是基于标准辐射源法， 一种是基于标准探测器法。在光辐射计量领域，如何以尽可能低的不确定度来实 现不同辐射标准是其核心研究内容之一。基于标准探测器的辐射标准实现和传递 方法，由于其精度远优于传统的基于标准辐射源法，国外的很多国家标准实验室 都从事了这方面的研究。归纳起来，光谱辐照度标准探测器和研究和研制在光辐 射计量领域中的主要用途有以下方面：1 ) 作为最好的传递标准，用于实现各类 辐射初级标准之间的比对，包括同步辐射源、黑体辐射源和低温绝对辐射计；2 ) 现代光辐射计量中用于各种高精度光谱辐射标准的实现。 随着低温绝对辐射计技术的不断成熟，以基于低温绝对辐射计的辐射标准和 辐射标准传递方法为特征的现代光辐射计量得到了迅猛发展。 图1 3 显示了滤光片标准探测器在现代光辐射计量和光度学中的重要作用和 地位。在现代光辐射计量中，基于陷阱探测器的滤光片标准探测器是直接联系低 温绝对辐射计等初级辐射标准和各级工作标准及用户标准的桥梁和纽带。如图 1 4 所示，滤光片标准探测器大大缩短了初级辐射标准和工作标准及用户标准之 间的传递链长度，使最终传递至用户的辐射标准不确定度大大降低。同时它也是 光谱辐照度标准探测器的研制与应用 目前最好的现代高精度辐射标准的实现装置和传递装置。在光度学中，滤光片标 准探测器同样起着核心作用，是最好的高精度光度学标准的实现装置和传递装 置。 图1 3滤光片标准探测器用于光辐射计量 滤光片标准探测器 初级标准( 低温绝对辐射计) ， 移滤光片标准探测罨抄 次级标准 移滤光黼准探测够 工作标准 妙滤光片标准探测琶凸 用户参考标准 妙滤光片标准探测屯 用户工作标准 妙滤光片标准探测谩抄 用户遥感器 图1 4 滤光片标准探测器缩短了辐射标准间传递链 从光辐射计量的发展历程来看，在传统光辐射计量因精度很难提高，束缚其 6 第一章综述 应用，面临挑战的时候，滤光片标准探测器的出现，完全打破了其僵局，它作为 一种有效途径，大大提高了各种辐射标准精度，给传统光辐射计量方法注入了新 的活力。在现代光辐射计量中，滤光片标准探测器，作为目前最佳的传递标准， 成为直接联系低温绝对辐射计初级标准和各种工作标准及用户标准的纽带，更是 实现各种辐射标准的最佳装置，起着不可替代的作用。基于陷阱探测器的滤光片 标准探测器无论在传统光辐射计量还是现代光辐射计量中，都已经显现出了独特 的技术优势，在多个应用领域具有显著的应用价值。也正因为如此，该领域的研 究近年来一直很活跃，吸引了一大批各国学者从事这方面的探索性尝试和应用研 究。我国在这方面的研究起步较晚，有关基于陷阱探测器的光谱辐照度标准探测 器在光辐射计量中应用，还未见相关报道。 1 4 论文的主要工作 以标准探测器作为光辐射基准是新一代辐射标准传递方法，比传统的基于辐 射源的辐射标准传递方法有很大的优越性。中科院安徽光机所早在1 9 9 9 年就开 始了基于t r a p 探测器的辐射传递标准的研究工作，已经取得了阶段性成果。 传统上采用一组性能稳定的标准灯组来保存光度基准，并由国家副基准灯组 向下进行量值传递。标准灯体积大，携带不便，使用时需要外部庞大的供电设 备，而且还要根据功率的不同维护多个灯组，因此人们一直在探索用另外的手段 来保持和传递量值。近十多年来，随着一些性能优良的光电探测器的出现，而且 与之配套的电子测量仪器的测量不确定度的降低，基于辐射源的传统的量值传递 系统已逐渐被探测器所代替，许多国家的研究机构都在致力于基于低温绝对辐射 计的标准探测器实现光度和辐射度计量的研究，并且已经开始使用标准光度计替 代标准灯。美国国家标准技术研究院( n i s t ) 用5 只标准光度计保存坎德拉，它们 的年变化率小于o 1 ，且每年对其标定，已完全替代了标准灯组：英国、德国 则同时使用标准灯组和标准光度计保存光度单位【1 6 1 。 基于陷阱探测器的滤光片辐射计，能够解决非单色光源的定标问题，加之其 高精度的优势，使它在野外试验、机载和星上定标中具有广阔的应用前景。然而， 现有滤光片辐射计的光谱响应率是在室温下定标的，当环境温度波动时，滤光片 的中心波长、峰值透过率等参数均会发生较大变化。在野外或空间环境下使用时， 7 光谱辐照度标准探测器的研制与应用 环境温度的剧烈变化会引起响应率的响应变化，此时若继续采用室温下的定标系 数来标定其它仪器就会带来较大偏差。因此迫切需要开发精密温控系统，对滤光 片辐射计进行恒温控制，使其在一定范围的环境温度下，仍能保持定标时的温度。 这样就可以使整个滤光片辐射计既可正常工作于特定工作平台，又保持了定标时 的高精度，从而能对被标定的仪器进行高精度的定标。 本论文正是基于以上出发点而逐步开展的。本论文的主要工作包括： 1 设计和研制了基于滤光片辐射计的单通道光谱辐照度标准探测器。对其 光学设计、机械设计、热学设计、电子学设计以及智能仪器控制等个方面设计方 案进行了比较全面的分析。重点完成了电子学系统的设计，主要包括：前置放大 i v 转换电路、高精度a d 数据采集电路、键盘显示电路、精密温度控制系统和 上位机串口通讯电路等。 2 设计完成了基于单片机的滤光片辐射计数字p i d 精密温度控制系统，并 对其性能进行了测试分析。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，温度控制精 度可以达n + 0 1 ，将滤光片辐射计的温度系数减小1 个数量级左右，有效地提 高了滤光片辐射计的精度。该温控系统的成功实现，使采用滤光片辐射计为核心 的辐照度、辐亮度标准探测器在不同的工作平台上其高精度都得以保持，大大扩 展了其应用范围大大扩展。 3 根据光谱辐照度标准探测器测量公式，按照国际通用的不确定度评估规 范，对所研制的光谱辐照度标准探测器进行了较全面的不确定度评估。 4 对利用光谱辐照度标准探测器测量标准灯特性的方法进行了分析研究。 描述了利用光谱辐照度标准探测器定标标准灯光谱辐照度特性的实验过程，对标 准灯6 5 厘米处可见光及近红外波段十个波长点的辐照度进行了测量，系统地分 析了测量结果的不确定度。 第二章光谱辐照度标准探测器设计 第二章光谱辐照度标准探测器设计 由前文所知，基于探测器的辐射标准传递体系有着传统的基于辐射源的标准 传递链无可比拟的优越性。标准光辐射探测器代替标准灯作为传递标准是光辐射 计量发展的必然趋势。本章将系统地介绍高精度光谱辐照度标准探测器的原理和 各模块的设计与实现。 2 1 光谱辐照度标准探测器的原理 2 1 1 相关基本概念1 7 l 1 辐射能q 辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为j ( 焦耳) 。 当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热能、电能等。当物质 吸收了强度调制的辐射能后，可以以检测热波、声波等形式的能量来研究物质的 性质。 2 辐射通量晚 辐射通量又称辐射功率p ，是辐射能的时间变化率，单位为w ( 瓦) ，是单位 时间内发射、传播或接收的辐射能。 卟署 ( 2 1 ) 3 辐射照度丘 辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，单位为w m 2 。 e = 翕 眨2 ， 以是投射辐射通量d o , 的面积元。 4 辐射出射度磁 辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即 m 。= 等 ( 2 3 ) 9 光谱辐照度标准探测器的研制与应用 d 晚由是扩展源表面曲在各方向广( 通常为半空间2 兀立体角) 所发出的总的辐射 通量，单位为w n 1 2 ( 瓦每平方米) 。忍和必的单位相同，其区别仅在于前者是 描述辐射接收面所接收的辐射特性，面后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射 特性。 5 光谱辐射量 光谱辐射量也叫辐射量的光谱密度。辐射源所辐射的能量往往由许多不同波 长的单色辐射所组成，为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光 的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射量是辐射量随波长的变化率。 光谱辐射通量晚( 的：辐射源发出的光在波长九处的单位波长间隔内的辐射 通量。辐射通量与波长的关系如图2 1 所示。其关系式为 吣耻等 ( 2 4 ) 单位为w 1 t m ( 瓦每微米) ，或w n m ( 瓦每纳米) 。 图2 1 光谱辐射通量与波长的关系 前面介绍的几个辐射量，都有与光谱辐射量相对应的关系： 光谱辐照度 珊) = 鲁 光谱辐射出射度 m 五) = 百d m , 辐射源的总辐射通量是 。= r 。( 五) 妣 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章光谱辐照度标准探测器设计 对其它辐射量也有类似关系。 对于波长不连续的辐射源，具有线光谱或带光谱特征，其总辐射通量为 。= 。( 旯) m ( 2 8 ) 2 1 2 陷阱探测器( t r a pd e t e c t o r ) 陷阱式探测器的概念最早由z a l e w s k i 和d u d a 提出f 9 】，在光辐射计量中它主 要是指由各种材料的光电二极管按照一定空间结构组成的复合型光电探测器。陷 阱探测器大体上可以分为透射式和反射式两大类。 图2 1 四片反射式陷阱探测器图2 2 三片反射式陷阱探测器 图2 3 六片透射式陷阱探测器图2 4 四片透射式陷阱探测器 四片反射式和三片反射式陷阱探测器【1 8 】的结构如图2 1 和图2 2 所示。四片 反射式陷阱探测器中，前三片光电二极管都是4 5 0 入射角，对入射光偏振态很敏 感，三片反射式陷阱探测器则克服了这个缺点，而且使用的光电二极管较少，成 为目前使用最广泛的一种陷阱探测器，缺点是反射功率损失不易测量。 由于透射率比反射率易于测量，后来出现了透射式陷阱探测器。常见的透射 式陷阱探测器主要有六片透射式和四片透射式两种，如图2 3 和图2 4 所示。六 片透射式陷阱探测器具有逃逸功率容易测量且偏振非敏感的优点，但是其结构复 杂，使用的光电二极管数目较多；四片透射式陷阱探测器对入射光的偏振态具有 l i 光谱辐照度标准探测器的研制与应用 很高的敏感性。 综合考虑各项因素点后，我们实验室标准探测器的设计采用三片反射式结构 的陷阱探测器。 光谱辐照度标准探测器的设计是基于三片反射式陷阱探测器设计而成的。其 工作原理如图2 5 所示， 图2 5t r a p 探测器工作原理图 入射光在三个光敏面上依次经历了5 次反射后沿原路返回，这种设计结构 使得入射光经过多次反射后，几乎完全被光电二极管吸收，加之其光谱响应范围 宽、光谱灵敏度高、偏振态无关等诸多优良的性能，使t r a p 探测器非常适合作 为光辐射功率标准探测器。 2 ，1 3 滤光片辐射计 1 光谱辐照度测量公式 标准灯发出的辐射能经过中心波长九的滤光片照射到光谱辐照度标准探测器 的孔径光阑处，如果通过光阑的辐射能全部为探测器所接收，那么由光谱辐照度 的定义式： 以五) ：螋 ( 2 9 ) e ( 五) = 3 子 ( 9 ) a 其中( 柚为标准灯在孔径光阑处的光谱辐射通量，彳为孔径光阑的面积。可 得： ( 兄) = e ( 兄) 么 ( 2 1 0 ) 设滤光片光谱透过率为t ( ”、带宽为九，则t r a p 接收到的光谱辐射通量为： o ( 兄) = 4 【五e ( z ) 丁( 旯) d 2 ( 2 1 1 ) 1 2 第二章光谱辐照度标准探测器设计 设探测器的电压响应率为r 例，探测器接收到标准灯发出的光辐射而将其转 化为电压输出，其数学表达式为： v = 么l e ( 五) 丁( 允) r ( 允) 以 ( 2 1 2 ) 因幽) 为九的函数，而滤光片具有一定的带宽，设滤光片中心波长为h ，若 要求以h ) 需要进行近似处理。滤光片带宽很窄，可以假设光谱辐照度在此带宽 范围内为常量，则： 以2 石赤丽 q - 3 可见，要求波长处的光谱辐照度以埘，需要测量探测器输出电压从孔 径光阑面积4 、探测器电压响应率r ( ”和滤光片光谱透过率孔”。 2 滤光片辐射计的结构 根据公式( 2 9 ) ，要利用辐射计测量标准灯的辐照度，首先必须保证照射到 辐射计入瞳上的辐射通量全部为探测器所接受；同时为了正确的反映标准灯的辐 照度特性，辐射计的结构必须保证探测器的光敏面能够看到标准灯的全部灯丝。 而且标准灯传递的是在一定距离上的辐照度值。因此在陷阱探测器之前必须加装 一个入瞳光阑。为了实现高精度的辐照度测量，该入瞳光阑的面积必须可以精确 的测出。通常，利用标准灯定标的光谱仪器具有特定的带宽，为了正确描绘标准 灯的特定带宽的辐照度特性，还要给辐射计加装一个窄带滤光片，这样就构成了 滤光片辐射计的基本结构，见图2 6 。 e 咖r e 图2 6 滤光片辐射计测量标准灯辐照度原理图 为了完整的描绘标准灯的辐照度特性，通常使用多片窄带干涉滤光片，精 确测量标准灯传递的不同单波长的光谱辐照度，再利用数学拟和的方法推算连续 的光谱辐照度。为此我们采用模块化结构，将入瞳光阑和滤光片分别放置于不同 光潜辐照度标准探测器的研制与应用 的金属腔体内，即方便了滤光片的更换，也保证了更换滤光片的过程中不会导致 入瞳光阑、滤光片和陷阱探测器光敏面之间的距离的改变，消除了不必要的测量 不确定因素。 基于陷阱探测器的滤光片辐射计基本结构主要包括三部分：陷阱探测器、孔 径光阑和滤光片。其详细结构图2 7 所示，这种滤光片辐射计是光谱辐照度标准 探测器的一种原型样机。精确测量孔径光阑面积，它就可以用作为光谱辐照度标 准探测器。 陷阱探测器 光阑 图2 7 基于陷阱探测器的滤光片辐射计结构原理图 由于滤光片辐射计温度系数较大i 捌，严重影响了光谱辐照度标准探测器的精 度，在光谱辐照度标准探测器的设计中，我们加入了滤光片温控装置，其结构如 图2 8 所示。 入射光 滤光片 广一帕尔贴 裟对：冀媾 _ 、 心煎姆t $ 姆：心 渊 压环- jil 空气腔 帕尔贴 图2 8 带温控的滤光片辐射计示意图 1 4 - 硬铝 铝环 瞳 盔 直 第二章光谱辐照度标准探测器设计 2 1 4 基于探测器的光谱辐照度测量方法 常见的基于探测器的绝对光谱辐照度测量装置如图2 9 和2 1 0 所示【2 0 ，2 。图 2 9 为n r c c 实验室所采用的标定标准灯的辐照度特性的实验系统装置。图2 1 0 是h u t 的实验装置。 碉i 膜 图2 9n r c c 标准灯光谱辐照度测量装置 8 a 俏镐 o o r l v g r 沧r 图2 1 0h u t 标准灯光谱辐照度测量装置图 比较两图可以看出，用滤光片辐射计测量标准灯光谱辐照度实验装置基本相 同。我们设计的光谱辐照度标准探测器将温控电路、电压测量装置、i v 转换电 路集成到了一起，使用更加方便。 光谱辐照度标准探测器的研制与应用 2 2 光谱辐照度标准探测器光学系统设计 2 2 1 系统光路设计 辐照度定义为单位面积上的辐射通量，根据这一定义测量辐照度时，需要测 量辐射通量和发光面元的面积。我们测量的辐照度是传输到孔径光阑( 入瞳) 处 的辐照度，也就是说，我们认为孔径光阑就是发光面元。这样在用探测器确定入 射光的辐照度时，必须满足条件： a ) 入射光束必须充满孔径光阑。孔径光阑的大小是辐照度度定义中的一部 分，是必须精确测量的。 b ) 入射光束的发散角不能大于探测器的最大接收角。入射光束的发散角不 大于探测器的最大接收角，意味着探测器才可以接收全部入射光通量进行测量。 如果入射光束的发散角很大，超过了探测器的最大接收角，将会有部分光功率不 能被探测器接收，引起测量不准确。 光谱辐照度标准探测器的光学设计中需要精确地确定入射孔径面积。光谱辐 照度标准探测器的光学设计，就是要确定出合适的孔径光阑尺寸。 1 t r a p 等效光路 三片反射式t r a p 中光电二极管光敏面在垂直于光轴的平面上的投影如图 2 9 所示，从图中可以计算，入射光束在光敏面上的最大直径应小于8 1 6m i l l ( 图 中的大圆) 。在实际应用时，考虑到机械调整的误差和光敏面边缘响应的非均匀 性，光束直径应取5 6m m 。图i 中阴影代表直径5m i l l 的光束。在基于t r a p 的光谱辐照度标准探测器设计中，我们将保证任何情况下，入射光束在光敏面上 的截面尺度小于6m m 。 y 图2 1 1t r a p 中光电二极管光敏面在垂直于光轴的平面上的投影 这样，在计算基于t r a p 的光谱辐照度标准探测器光学参数时，将t r a p 的5 1 6 第二章光谱辐照度标准探测器设计 个反射面等效为5 个0 6 的光阑，其光路可以展开为如图2 1 0 所示，0 1 1 是 t r a p 骨架的入孔直径。 图2 1 2t r a p 的等效光学展开图 2 孔径光阑的确定 由于辐照度的定义中，涉及单位面积，因而光谱辐照度标准探测器的设计中 必须精确地确定入射光阑孔径。我们必须精密加工并且精密测量孔径光阑的面积 大小。 根据上图，孔径光阑直径的选择应该使入射光束投射在每一个光敏面上( 特 别是s 5 上) 的光斑直径小于6 m m 。这样才能保证入射的光通量被全部吸收。 图2 1 l 是光谱辐照度标准探测器的光路设计图。 滤光片 图2 1 3 光谱辐照度标准探测器光路设计图 $ 6 我们的设计中，孑l 径光阑位于t r a p 前端面处，滤光片在孔径光阑前面。这 样的设计是基于方便温控考虑，滤光片温控模块和t r a p 是分开的。光谱辐照度 标准探测器是用于标定标准灯的，光路设计中标准灯灯丝长度u o = 2 0 m m ，与 t r a p 的距离为标准l o = 6 5 0 m m 。孔径光阑到等效光敏面s 5 的等效光路为l 1 = 6 1 1 8 m m ，设孔径光阑半径为a 。将图2 。l l 简化如图2 1 2 所示。 1 7 光谱辐照度标准探测器的研制与应用 标准灯 图2 1 4 孔径光阑尺寸的计算 由图示的几何关系可以得出， 丝：堕：丝 ( 2 1 4 ) d 2日d 2 。7 d o + d l = 厶+ 厶 f 2 1 5 ) 代入数据，计算可得：u 2 = 3 8 m m ，即孔径光阑的直径应小于3 8 m m 才能 保证入射的光通量被探测器全部吸收。目前我们的机械设计中，孔径光阑直径为 2 m m ，符合光路要求。 2 2 2 光谱辐照度标准探测器中t r a p 接收光通量的估算 孔径光阑的设计直径已知，我们用现有的标准灯辐照度数据、滤光片透过率 数据和标准t r a p 的响应率就可以估算系统接收的光通量和t r a p 的输出电压。 实验室现有标准t r a p 电压响应率如表2 1 所示， 淤 l 2ab c 4 8 82 0 6 21 9 5 51 9 5 81 9 5 51 6 0 8 5 1 42 1 5 02 0 5 62 0 5 62 。0 5 31 6 9 l 6 3 32 6 6 72 5 2 72 5 3 22 5 3 32 0 7 9 6 7 62 8 3 02 6 9 92 7 0 32 6 9 9 2 2 2 0 7 8 6 3 2 8 73 1 1 93 1 2 4 3 1 2 0 2 5 6 4 8 3 03 4 7 8 3 2 9 7 3 3 0 03 3 0 5 2 7 1 6 9 4 4 3 9 8 63 7 7 83 7 9 13 8 1 53 1 2 3 对t r a p 探测器b 的响应率进行多项式拟合，如图2 1 3 ，可得 r = 一1 2 7 6 3 5 + 0 0 1 0 0 4 k - - 9 2 8 2 0 5 x 1 0 6 铲+ 4 6 1 6 0 1 1 0 9 l 3 ( 2 1 6 ) 1 8 第二章光谱辐照度标准探测器设计 4 o 毫 声 o3 0 比 静 毯 售2 5 幽 脚 波长 n m 8 图2 1 5 t r a pb 光谱响应率曲线 表2 1 中是电压响应率，我们要求电流响应率r i ，因此要除以标准t r a p 的反 馈电阻5 0 k ，得 r ，= 一0 2 2 5 2 7 + 0 0 0 2 0 0 8 九一1 8 5 6 4 1x 1 0 6 铲+ 9 2 3 2 0 2 x 1 0 9 矿( a w 。1 a m - 1 ) ( 2 1 7 ) 我设计的光谱辐照度标准探测器中反馈电阻选取为1 m ，孔径光阑直径实测 值为1 7 r a m ，代入公式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 即可估算光通量和输出电压，如表2 2 所示。 表2 2 光通量和输出电压估算表 x ( n m ) t e ( 斗w 估算的 t r a p 响应率 输出电压 c m 。2 m n 。1 ) 西( n w n m 。1 )( m v n w - 1 n m ) ( m v ) 4 8 80 4 5 9 3 33 8 1 83 9 8 0 6 00 3 9 l1 5 5 6 5 1 50 6 0 0 8 64 8 8 06 6 5 5 5 00 4 1 0 62 7 3 3 5 4 40 6 4 3 1 46 0 7 88 8 7 2 6 60 4 3 4 43 8 5 4 6 3 30 6 8 2 1 49 6 3 11 4 9 1 1 8 80 5 0 6 67 5 5 4 6 7 50 6 0 8 5 51 1 0 5 015 2 6 3 2 20 5 3 9 88 2 3 9 7 5 00 6 0 3 2 51 3 0 0 017 8 0 0 3 40 6 0 0 41 0 6 8 7 8 3 00 4 9 5 9 81 4 0 0 015 7 6 0 8 6o 6 6 l1 0 4 1 8 8 5 0 0 4 6 1 2 41 4 2 0 0 1 4 8 6 6 3 0 o 6 8 11 0 1 2 4 9 0 00 5 7 0 2 81 4 3 0 01 8 5 1 0 2 30 7 2 1 31 3 5 5 1 9 6 00 6 4 4 3 l1 4 2 0 02 0 7 6 6 8 60 7 6 9 71 5 9 8 4 由表2 2 可以看出，t r a p 接收的光谱辐射通量大约在4 0 0 n w - - 2 0 0 0 n w 之间， t r a p 探测器输出电压在1 5 0 m v 一1 6 v 之间 1 9 光谱辐照度标探测的 制与用 223 孔径光阑的测量 目前，测量孔径光阑面积的方法有很多，主要可以分为机械法和光学法两大 类。 a ) 以往测量孔径光阑面积的方法是基于孔径光阑直径测量机械，此方法是 使用球形末梢的探针触碰孔径光阑的边缘，探针从孔径光阑一端移动到另一端， 其移动的距离可以用激光干涉计测得。对于圆形的孔径，其面积可以通过测量孔 径光阑不同方向的直径然后计算出来。为t g 定孔径光阚面积，需要从多个方向 测量孔径光阑直径或测量孔径光阑的圆度。此方法的标准不确定度最小可以达到 0 1 5 u m 。 b ) 光学的方法通常使用光学显微镜或者光学传感器来确定孔径光阑边缘的 位置干涉计测量位移来确定孔径光阑的面积陋2 3 1 。它们的共同点是通过测量孔径 光阑直径间接得到孔径光阑面积。采用光学传感器方法的不确定度可达4 i n n 。另 外一种光学方法是使用空间均匀照度测量两个孔径光阑面积的比值，通过与已标 定的精密标准光阑比较可以得到需测量孔径光嗣的面积，此方法的相对标准不确 定度可达到4 x 1 0 。 本文的设计中采用上海精密仪器仪表有限公司生产的1 9 j a 型万能工具显微 镜对孔径光闽进行精确测定。如图21 6 所示。万能工具显微镜采用的是非接触 的光学测量方法，其测量精度为3 i n n 。 图2 1 61 9 a j 型万工具能显微镜 第二章光谱辐照度标准探测器设计 2 2 4 滤光片透过率的测量 我们的设计中所采用的