吳志峰，代彩紅，王彥飛，鄒巨洪

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029;

2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

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陣列式光譜輻射計(jì)光學(xué)參數(shù)測(cè)量

吳志峰1*，代彩紅1，王彥飛1，鄒巨洪2

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029;

2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

研究了陣列式光譜輻射計(jì)校準(zhǔn)過(guò)程中涉及的雜散光和帶寬等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)比較了陣列式光譜輻射計(jì)在氙燈和鹵鎢燈照射下進(jìn)行紫外輻射測(cè)量的差異，對(duì)差異的來(lái)源-雜散光部分進(jìn)行了測(cè)評(píng)。采用一組已知透過(guò)率的濾光片，通過(guò)采集有濾光片和無(wú)濾光片條件下鹵鎢燈的光譜，對(duì)陣列式光譜輻射計(jì)的雜散光大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，并評(píng)估了雜散光在紫外輻射測(cè)量中引起的數(shù)值偏差。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同的陣列式光譜輻射計(jì)采集窄帶光源的結(jié)果，對(duì)陣列式光譜輻射計(jì)的帶寬在輻射照度計(jì)算中的影響進(jìn)行評(píng)估。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鹵鎢燈照射下部分陣列式光譜輻射計(jì)在紫外300 nm處的雜散光比例高達(dá)30%以上，制約了紫外輻射測(cè)量的可靠性；氙燈照射下陣列式光譜輻射計(jì)在300 nm的雜散光比例可以降至5%左右；陣列式光譜儀的帶寬限制了其能夠準(zhǔn)確測(cè)量光源的最小測(cè)量半高寬，幾種不同帶寬的陣列式光譜輻射計(jì)在365 nm的測(cè)量偏差高達(dá)4%。得到的結(jié)果表明：陣列式光譜輻射計(jì)的雜散光、帶寬等光學(xué)特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。

陣列式光譜輻射計(jì)；紫外輻射；雜散光；帶寬；標(biāo)定

*Correspondingauthor,E-mail:wuzf@nim.ac.cn

1　引　言

光譜輻射度應(yīng)用范圍廣泛，涉及遙感探測(cè)[1-2]、光生物安全[3]、材料老化[4]等眾多行業(yè)。長(zhǎng)久以來(lái)，光譜輻射計(jì)是實(shí)現(xiàn)光譜輻射探測(cè)的重要儀器，用于測(cè)量光譜輻射照度、光譜輻射亮度以及色溫度[5-6]。傳統(tǒng)的光譜輻射計(jì)通過(guò)機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)光柵或棱鏡分光，經(jīng)光電探測(cè)器探測(cè)從而實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光譜輻射量測(cè)量。但受限于較大的體積和重量，以及精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)，它們僅適合實(shí)驗(yàn)室操作，往往難以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室外，尤其是野外。隨著電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)和光電二極管陣列(PhotoDiode Array,PDA)探測(cè)器的飛速發(fā)展，陣列式探測(cè)器被廣泛應(yīng)用于光譜輻射計(jì)。各種小型化、微型化的陣列式光譜輻射計(jì)不斷涌現(xiàn)，國(guó)內(nèi)許多單位也開(kāi)展了基于陣列式探測(cè)器的光譜輻射計(jì)研究[7-10]。陣列式光譜輻射計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需機(jī)械控制，減輕了儀器重量，改善了移動(dòng)穩(wěn)定性。同時(shí)，陣列式光譜輻射計(jì)可以實(shí)現(xiàn)全波段數(shù)據(jù)的快速采集，大大節(jié)省了測(cè)量時(shí)間。陣列式光譜輻射計(jì)的測(cè)量快捷性和易于攜帶性使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

陣列式光譜輻射計(jì)使用前，往往需要通過(guò)輻射定標(biāo)，經(jīng)多級(jí)量值溯源鏈，最終溯源至國(guó)家計(jì)量院的基標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)儀器至國(guó)際單位制的溯源，滿(mǎn)足測(cè)量一致性的基本要求。輻射定標(biāo)的準(zhǔn)確度既取決于輻射定標(biāo)光源的準(zhǔn)確度，也依賴(lài)于儀器自身的性能。輻射定標(biāo)光源的最小測(cè)量不確定度可以通過(guò)減少量值溯源鏈，直接溯源至國(guó)家計(jì)量院來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，陣列式光譜輻射計(jì)的測(cè)量不確定度最終歸結(jié)為對(duì)該儀器光學(xué)特性的考察。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)陣列式光譜輻射計(jì)特性的實(shí)驗(yàn)和理論研究日益增多，如陣列式光譜輻射計(jì)的短期穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、測(cè)量非線(xiàn)性、雜散光和帶寬等[11-16]方面。一般地，陣列式探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍、不同波段的光譜響應(yīng)靈敏度、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍、像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)等指標(biāo)直接關(guān)系到陣列式光譜輻射計(jì)的光學(xué)性能。另外，陣列式光譜輻射計(jì)內(nèi)部的光路設(shè)置、焦距、鏡片的色像差、光柵質(zhì)量等，會(huì)影響到最終的雜散光、信噪比、帶寬等特性。

目前，陣列式光譜輻射計(jì)常用來(lái)進(jìn)行紫外波段測(cè)量，如太陽(yáng)光譜測(cè)量。然而，測(cè)量的準(zhǔn)確性與真實(shí)光譜差異較大，難以保證數(shù)據(jù)的一致性，帶來(lái)了許多的問(wèn)題。同時(shí)，陣列式光譜輻射計(jì)定標(biāo)光源和測(cè)量光源的光譜不匹配會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)陣列式光譜輻射計(jì)紫外測(cè)量、雜散光和帶寬等問(wèn)題展開(kāi)了討論，從而為光譜輻射計(jì)紫外波段的測(cè)量提供借鑒。

2　陣列式光譜輻射計(jì)的工作原理

陣列式光譜輻射計(jì)主要由入射光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直和分光系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)組成。入射光學(xué)系統(tǒng)常采用光學(xué)光纖、白板或積分球?qū)牍廨椛湫盘?hào)。準(zhǔn)直和分光通過(guò)凹面鏡、光學(xué)光柵或光學(xué)棱鏡實(shí)現(xiàn)。陣列式探測(cè)器接收不同波長(zhǎng)的光譜，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后將數(shù)值傳遞至計(jì)算機(jī)，最終由光譜輻射計(jì)軟件處理采集到的數(shù)據(jù)。

圖1　陣列式光譜儀校準(zhǔn)裝置Fig.1　Calibration setups of array spectroradiometer

圖1給出了陣列式光譜輻射計(jì)的校準(zhǔn)光路圖。標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲中心距離光譜輻射計(jì)的入射光學(xué)中心500 mm，標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲主軸與光譜輻射計(jì)的入射光學(xué)主軸重合。標(biāo)準(zhǔn)燈和光譜輻射計(jì)中間設(shè)置光闌，光闌開(kāi)口尺寸根據(jù)幾何光路確定。測(cè)量系統(tǒng)位于暗室，屏蔽雜散光。

3　陣列式光譜輻射計(jì)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1紫外測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用鹵鎢燈和氙燈兩種光源一起用于紫外測(cè)量研究。鹵鎢燈和氙燈在特定距離下的光譜輻射照度已知，通過(guò)采集特定距離下光譜輻射計(jì)的響應(yīng)信號(hào)，對(duì)光譜輻射計(jì)的光譜響應(yīng)度進(jìn)行定標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)室比較了300～400 nm波段光譜輻射計(jì)采用溴鎢燈和氙燈的定標(biāo)系數(shù)。圖2給出了鹵鎢燈和氙燈的定標(biāo)差異?？梢钥闯觯瑴y(cè)量值在300 nm，兩者差異高達(dá)40%；在350 ～400 nm兩者差異較小，在3.5%以?xún)?nèi)。

圖3給出了50 cm距離下鹵鎢燈和氙燈的光譜輻照度?？梢钥闯?，鹵鎢燈在250～1 100 nm光譜輻照度變化約為3個(gè)數(shù)量級(jí)。與鹵鎢燈不同，氙燈在250～1 100 nm的光譜輻照度變化小于1個(gè)數(shù)量級(jí)。很顯然，鹵鎢燈和氙燈的光譜差異極大。圖2中的差異是由于光譜不匹配帶來(lái)的，光譜輻射計(jì)測(cè)量值偏大可能因?yàn)殡s散光的干擾。

圖2　鹵鎢燈與氙燈的定標(biāo)系數(shù)差異Fig.2　Difference between measurement coefficients using tungsten haolgen lamp and xenon lamp

圖3　鹵鎢燈和氙燈的光譜輻射照度值Fig.3　Irradiances of tuags ten haolgen lamp and xenon lamp measured with of array radiometer

3.2雜散光測(cè)量

雜散光通常可以分為兩種：一種由測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)引起，如實(shí)驗(yàn)室背景反射，陣列光譜輻射計(jì)接收到的輻射并非僅來(lái)自測(cè)量光源的直接入射；第二種由陣列式光譜輻射計(jì)自身帶來(lái)的，儀器內(nèi)部的陣列探測(cè)器接收到來(lái)自非光路設(shè)計(jì)的光譜輻射。第一種可以通過(guò)基于實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)消除；第二種則需針對(duì)儀器進(jìn)行測(cè)試。這里僅討論了第二種雜散光的抑制。

在400～1 000 nm鹵鎢燈的光譜輻射照度明顯大于氙燈，實(shí)驗(yàn)采用黃玻璃-波長(zhǎng)大于400 nm的長(zhǎng)通濾光片和365 nm濾光片-波長(zhǎng)小于400 nm的帶通濾光片測(cè)試陣列式光譜輻射計(jì)。實(shí)驗(yàn)先測(cè)量陣列式光譜輻射計(jì)在鹵鎢燈下的信號(hào)，然后依次將黃色玻璃、365 nm濾光片放置在儀器的入口前測(cè)量鹵鎢燈信號(hào)，最后將黃色玻璃和365 nm濾光片同時(shí)放置在鹵鎢燈前測(cè)量信號(hào)。濾光片透過(guò)率為：

(1)

式中：τ(λ)是光譜輻射計(jì)測(cè)量的濾光片透過(guò)率，S′(λ)是采用濾光片在波長(zhǎng)λ處采集的信號(hào)，S(λ)是無(wú)濾光片在波長(zhǎng)λ處采集的信號(hào)。由于濾光片的透過(guò)率已知，可以通過(guò)比較光譜輻射計(jì)測(cè)得的透過(guò)率和真實(shí)的透過(guò)率，來(lái)判定儀器的雜散光水平。對(duì)于理想的光纖光譜儀，通過(guò)式(1)計(jì)算得到的透過(guò)率應(yīng)等于真實(shí)的透過(guò)率。

圖4　陣列式光譜輻射計(jì)測(cè)量的不同濾光片透過(guò)率Fig.4　Transmission of different filters measured using array radiometer

圖4藍(lán)線(xiàn)是陣列式光譜輻射計(jì)測(cè)量的黃玻璃透過(guò)率，紅線(xiàn)是365 nm濾光片的透過(guò)率，綠線(xiàn)是黃色玻璃和365 nm濾光片一起的透過(guò)率(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。黃色玻璃在300～400 nm的真實(shí)透過(guò)率為0，因此陣列式光譜輻射計(jì)僅接收波長(zhǎng)大于400 nm的光譜輻射信號(hào)。然而，在波長(zhǎng)小于400 nm波段，陣列式光譜輻射計(jì)測(cè)量的黃色玻璃透過(guò)率顯然不為0。實(shí)驗(yàn)表明，鹵鎢燈照射下400 nm以后的光譜輻射信號(hào)會(huì)為紫外波段帶來(lái)很?chē)?yán)重的雜散光。因此，采用氙燈定標(biāo)的儀器測(cè)量鹵鎢燈時(shí)，300～350 nm采集的信號(hào)部分來(lái)自于雜散光，使得光譜輻射計(jì)測(cè)量值大于鹵鎢燈的標(biāo)準(zhǔn)值。數(shù)據(jù)表明，采用鹵鎢燈測(cè)量時(shí)紫外波段的雜散光不可忽略。圖4表明，采用365 nm濾光片并不透過(guò)400 nm以后的光譜，所測(cè)得的透過(guò)率在300～400 nm，比較接近真實(shí)的透過(guò)率，在可見(jiàn)光和近紅外波段的透過(guò)率幾乎為0。因此，在鹵鎢燈照射下，300～400 nm的紫外輻射并未對(duì)光譜輻射計(jì)在可見(jiàn)和近紅外波段產(chǎn)生明顯的雜散光影響；而波長(zhǎng)大于400 nm的輻射對(duì)紫外波段有明顯的雜散光影響。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了兩臺(tái)陣列式光譜輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果。其中一臺(tái)既測(cè)量了鹵鎢燈照射下的雜散光水平，同時(shí)測(cè)量了氙燈照射下的雜散光水平；另一臺(tái)僅測(cè)量了鹵鎢燈下的雜散光水平。兩臺(tái)儀器分為記為儀器I和儀器II。圖5中可以看到：對(duì)于儀器I，當(dāng)測(cè)量光源從鹵鎢燈變?yōu)殡療?，雜散光帶來(lái)的貢獻(xiàn)明顯變?。粚?duì)于儀器II，采用鹵鎢燈在300～400 nm雜散光的貢獻(xiàn)整體小于2.0%，儀器的雜散光抑制效果明顯優(yōu)于儀器I。

圖5　儀器I和儀器II測(cè)量的黃色玻璃透過(guò)率Fig.5　Transmission of different filters measured using array radiometers

對(duì)于陣列光譜輻射計(jì)雜散光的影響，數(shù)學(xué)上可以近似將300～400 nm光譜輻射信號(hào)和400～1 000 nm光譜輻射信號(hào)分別看成一個(gè)整體，雜散光影響下濾光片的透過(guò)率為：

(2)

式中：E(λ)300-400和E(λ)400-1000分別為光譜輻射計(jì)采集的300～400 nm和400～1 000 nm的光譜輻射信號(hào)；k為耦合因子，用來(lái)描述波長(zhǎng)大于400 nm波段光譜在300～400 nm貢獻(xiàn)的系數(shù)。當(dāng)采用黃色玻璃時(shí)，陣列光譜輻射計(jì)采集的信號(hào)為kE(λ)400-1000。

取300～350 nm波段的實(shí)際測(cè)量平均值，假定雜散光貢獻(xiàn)的透過(guò)率系數(shù)為0.2，對(duì)于鹵鎢燈，存在關(guān)系E(λ)300-400∶E(λ)400-1000≈1∶100。根據(jù)式(2)計(jì)算得到k=0.002 5。對(duì)于氙燈，假定E(λ)300-400∶E(λ)400-1000≈1∶10,計(jì)算得到氙燈雜散光貢獻(xiàn)的透過(guò)率為0.024，與圖中氙燈的實(shí)際測(cè)量平均值接近。如果采用足夠多的濾光片，原則上可以分析各個(gè)波段在其他波段的雜散光貢獻(xiàn)。對(duì)于光譜輻射計(jì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算扣除各個(gè)波段在其他波段的雜散光，最終反演得到真實(shí)的光譜數(shù)據(jù)。

3.3帶寬測(cè)量

為了準(zhǔn)確測(cè)量光譜輻照度，陣列式光譜輻射計(jì)必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題是帶寬。傳統(tǒng)的雙光柵光譜輻射計(jì)體積大、光譜分辨率高、帶寬窄。然而，陣列式光譜輻射計(jì)大多采用CCD或CMOS陣列探測(cè)器，波長(zhǎng)覆蓋250～1 100 nm的探測(cè)器，假定像素點(diǎn)為2 048個(gè)，則單個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為0.46 nm。最終的測(cè)量結(jié)果往往需要插值處理才能給出0.1 nm甚至更小的波長(zhǎng)間隔。同時(shí)，陣列式光譜輻射計(jì)結(jié)構(gòu)小，光路分光設(shè)計(jì)往往限制了儀器的帶寬，因此儀器很難準(zhǔn)確測(cè)量窄帶寬光源的光譜。

圖6給出了幾種不同的陣列式光譜輻射計(jì)測(cè)量的365 nm窄帶光源。從圖中可以看到，綠色的光譜半高寬約為其余兩種顏色的兩倍。對(duì)于各個(gè)光譜儀測(cè)量的320～390 nm的光譜輻照度進(jìn)行積分發(fā)現(xiàn)，其中綠線(xiàn)的積分輻射度比紅線(xiàn)低4.0%，紅線(xiàn)較藍(lán)線(xiàn)低2.0%。采用雙光柵光譜輻射計(jì)測(cè)量后，藍(lán)線(xiàn)的積分輻照度與雙光柵光譜輻射計(jì)的測(cè)量結(jié)果最接近。由于被測(cè)光源是一個(gè)窄帶光源，隨著儀器的帶寬變窄，測(cè)量的光譜分布逐漸接近被測(cè)光源的真實(shí)光譜，積分的輻照度也逐漸增大。顯然，光譜輻射計(jì)的帶寬對(duì)最終的光譜輻照度測(cè)量至關(guān)重要。

圖6　不同光譜儀采集的光譜功率分布Fig.6　Spectral power distribution of different filters measured using array radiometer

光譜輻射計(jì)定標(biāo)中鹵鎢燈是連續(xù)的寬譜段光源。在工業(yè)應(yīng)用中，儀器常用來(lái)測(cè)量類(lèi)日光光源。氙燈常被用來(lái)模擬太陽(yáng)光，光源存在多個(gè)譜峰，其光譜分布與鹵鎢燈區(qū)別很大。圖3中氙燈在波長(zhǎng)大于400 nm波段出現(xiàn)多個(gè)譜峰結(jié)構(gòu)，如果光譜輻射計(jì)的帶寬能力無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量氙燈的譜峰，甚至兩三個(gè)譜峰在測(cè)量結(jié)果上顯示為單個(gè)譜峰，很容易影響到最終的測(cè)量結(jié)果。

4　結(jié)　論

本文比較了陣列式光譜輻射計(jì)在氙燈和鹵鎢燈下定標(biāo)的差異，測(cè)量結(jié)果顯示在300 nm波段，兩者差異高達(dá)到30%。實(shí)驗(yàn)采用陣列式光譜輻射計(jì)測(cè)量了已知透過(guò)率的濾光片，通過(guò)與濾光片真實(shí)透過(guò)率的比較，確認(rèn)鹵鎢燈測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的差異主要來(lái)源于雜散光。由于氙燈光譜輻射照度紫外與可見(jiàn)近紅外的比值遠(yuǎn)大于鹵鎢燈，氙燈照射下陣列式光譜輻射計(jì)在300 nm處的雜散光比例小于5.0%。當(dāng)陣列式光譜輻射計(jì)測(cè)量窄帶寬光源時(shí)，不同帶寬測(cè)量的積分輻射照度差異高達(dá)6.0%。這些結(jié)果可用于指導(dǎo)陣列式光譜輻射計(jì)的實(shí)際應(yīng)用。

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吳志峰(1984-)，男，河南衛(wèi)輝人，博士，副研究員，2010年于北京大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從光譜輻射度的研究。E-mail: wuzf@nim.ac.cn

代彩紅(1974-)，女，河南偃師人，研究員，2005年于清華大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)所輻射室主任，主要從事光譜輻射度和色度等方面的研究。E-mail: daicaihong@nim.ac.cn

(本欄目編輯：曹金)

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Measurement of optical parameters for array spectroradiometers

WU Zhi-feng1*, DAI Cai-hong1, WANG Yan-fei1, ZOU Ju-hong2

(1.DivisionofOptics,NationalInstituteofMetrology,Beijing100029,China; 2.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China)

Several kinds of optical problems involved in calibration of an array spectroradiometer were investigated, such as ultroviolet radiation, stray light, and bandwidth. The difference of ultraviolet radiation measurement of the array spectroradiometer under a xenon lamp and a tungsten halogen lamp was compared and the stray light from the measurement was evaluated. The spectra of the tungsten halogen lamp without and with optical filters were measured by using the array spectroradiometer and the deviation caused by the stray light in the ultraviolet radiation measurement was estimated. Furthermore, the narrow spectral widths captured by different spectroradiometers were measured and the effects of the bandwidths of the spectroradiometers on irradiation calculation were discussed. The experimental results for some array spectroradiometers show that the contribution of the stray light from the tungsten halogen lamp at 300 nm can be as high as 30%, and that from the xenon lamp can be around 5%. Moreover, the bandwidth of the spectroradiometers limits its ability to measure the narrow spectral width for lamps, and the measuring deviation with different bandwidths can be as high as 4% at 365 nm. These results demonstrate that the stray light and the bandwidth of array spectroradiometers are vital to its measurement accuracy.

array spectroradiometer; ultraviolet radiation；stray light; bandwidth； calibration

2016-03-22；

2016-05-13.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41305140)

1004-924X(2016)08-1902-06

O432.1；TH741

A

10.3788/OPE.20162408.1902