摘要:本文介绍了用国产单色仪快速组织自动光谱辐射计的方法及其应用。应用该系统可测量光源或辐射源的光谱辐射特性,进而得到当代评价光源的重要技术参数:三刺激值、色温、相关色温、显色指数等。
1 引言
随着国民经济和科学技术的发展,在生活、工作及社会交往中,人们对光源不再只满足强弱的要求,还要求照明光源的色温、光效以及显色指数的更高指标。特别是加入WTO后,国际贸易竞争中,这些参数是不可缺少的。但是在工业生产中,为测量这些参数而进口一台自动光谱辐射计,是非常昂贵的。
如果自己研制一台自动光谱辐射计,采用进口单色仪比同样性能的国产单色仪贵五到十倍。就工业应用来说,国产单色仪完全能满足要求。北京光学仪器厂所属的北京通州光电子技术开发部生产的WDM3宽波段扫描单色仪可满足要求,和单色仪配套的自动扫描控制系统还具有光电倍增管用高压电源、测量用I/V转换、放大量、A/D变换器的功能,通过RS232接口与微连接,很容易用该设备组织一台自动光谱辐射计,配上适当的微机软件可测量白炽光源、放电光源、荧光灯等的光谱辐照度、光谱辐亮度、相对光谱辐射分布、色坐标、色温、相关色温、显色指数重要参数。
2 自动光谱辐射计组成
自动光谱辐射计的光学装置示意图如图1所示。当用自动光谱辐射计测量面辐射源光谱辐亮度时,被测辐射源通过两块凹面反射镜成像在单色仪的入射狭缝上,经单色仪分光得到单色辐射,输入到光电倍增管,光电倍增管的高压电源由单色仪自动测控系统的高压稳压电源提供。光电倍增管的输出电流I(λ)与单色仪出射狭缝的输出辐通亮Φ(λ)图成正比。
测量近似点光源的光谱辐照度,单色仪的入射光路如图1的左上角所示。光源照射到一块MgO漫射板上,凹面反射镜成像系统把漫射板成像到单色仪的入射狭缝上。其它方面与测量光谱辐亮度相同。如果用积分球代替漫射板漫射性能更好,但辐射能量损失要大得多,对仅仅测量强光源较合适。测量光谱辐亮度时,入射光路的两块凹面反射镜,可以减少象散象差,相对孔径与单色仪的相对孔径一致。北京通州光电子技术开发部的单色仪可同时按Czerny-Turner结构安装3块光栅,选择不同的光栅,能覆盖200nm到20μm的波长范围,可见光的应用可只用11200/mm光栅。单色仪的焦距为300mm,波长准确度为0.1nm,相对孔径F/6,杂散光5×10-4,线色散2.7nm/mm.光电倍增管使用具有S20光谱响应的阴极,可测量的波长范围从200nm到900nm。为了压低杂散辐射及消除二级以上光谱的影响,光路中插入了前截止滤光片。
单色仪的自动测控系统由微处理器、步进电机驱动器、高压稳压电源、I/V转换器、放大器、A/D转换器、RS232接口、控制键盘及显示电路组成(图2所示)。高压稳压电源输出稳定的负高压,供给光电倍增管,电压由-300V到-1000V可调。光电倍增管经I/V转换器放大器和A/D转换器转换成数字信号后,以
位LED显示,并送入单片微控制器。
如果连接了PC微机,可通过RS232接口送入PC微机进行再处理。单色仪自动测控系统由微处理器、步进电机驱动器自动控制单色仪的波长扫描。通过选择,可控制各种刻划的光栅,位LED数码管显示波长;有4档运行速度供选择。单色仪启动后自动复位并运行到375nm,再通过手控键盘控制其它运行。如通过RS232接口与PC微机连接,可使所有键盘功能按程序自动运行。
3 自动光谱辐射计定标
自动光谱辐射计测量被测光源的读数Vt(λ)与光源的辐亮度Lt(λ)或辐照度Et(λ)成正比:
4 自动光谱辐射计应用
4·1 测量光源的光谱辐照度和光谱辐亮度。如定标所述该辐射计可测量250nm到900nm的光谱辐照度和光谱辐亮度。
4·2 测量光源的相对光谱辐射分布。利用测量的光谱辐照度或光谱辐亮度对某一波长(通常为最大值波长)归一化,即得到相对光谱辐射分布。图3为一荧光灯的相对光谱辐射分布,这里对最大值435.8进行归一化。应该指出,对线光谱应单独测量,波长间隔要小,比如0.5nm,并计算出扣除连续光谱的等效波长间隔的光谱辐射分布,再述加到连续光谱辐射分布中。
4·3 计算光源的色坐标、色温或相关色温。光源的相对光谱辐射分布φr(λ),分别乘以CIE光谱三刺激值,并分别积分得到色度学的三刺激值。
4·4 计算光源的显色指数。光源的显色指数是待测光源下物体的颜色与参照光源下物体的颜色相符合的程度,两
种光源下颜色样品的色差ΔE作为这种符合程度的度量。国家标准规定了参考光源和14种测验物体,光源对某一颜色样品的显色指数称为特殊显色指数
光源的显色指数越高,其显色性越好。标准光源的显色指数为100。
光源的显色指数越高,其显色性越好。标准光源的显色指数为100。
4·5 测量光源的光谱辐通亮。光源放在积分球内,可在开口处测量光源的光谱辐通亮。
本文作者：张建民 刘勤
