摘 要:以聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的积分球为基础,研制了7种组合型入射光学系统,并对它们的余弦特性进了测试。其中PTFE积分球、磨砂石英半球型漫射器和修正环的组合型入射光学系统的设计具有创新性。在±30°入射角范围内,余弦误差小于0.23%;在±60°入射角范围内,余弦误差小于1.14%;在±75°入射角范围内,余弦误差小于2.5%;在±80°入射角范围内,余弦误差小于5.5%,积分余弦误差〈f2〉=0.94%,指标达到国际先进水平。组合型入射光学系统能够很好地满足太阳紫外光谱辐射地面测量的需求。
1 引 言
太阳紫外辐射对陆地和海洋生态系统以及人类的健康都有许多不良影响,人类暴露在紫外辐射下会导致皮肤癌,加速皮肤老化,产生白内障,还会影响到人类的免疫系统,一些植物经紫外辐射照射后将减慢生长或光合作用消失[1—3]。进行覆盖全球范围的太阳紫外辐射监测,形成长期的数据累积记录,可用于确定太阳紫外光谱辐射照度的长期变化趋势,具有十分重要的意义[4,5]。
太阳紫外光谱辐射照度E(λ)是到达水平面单位面积上、单位波长间隔内的所有太阳直接辐射与2π球面度立体角内的天空辐射构成的太阳紫外总辐射。太阳光谱辐射照度E(λ)可表示为
其中θ是太阳的天顶角;是太阳的方位角;L(θ,,λ)是太阳在天顶角为θ、方位角为、波长为λ时的光谱辐射亮度。
要求用于测量E(λ)的仪器的角度响应尽可能地与入射辐射和接收平面法线之间夹角的余弦相匹配[5]。太阳紫外光谱辐射地面测量装置是对280nm~400nm波长范围,包括太阳直射以及天空散射在内的2π球面度立体角范围的太阳光谱辐射照度进行定量测量的仪器。地面上测到的太阳UVB波段(280nm—315nm)的紫外辐射,其中太阳直射部分只占少部分(20%—30%),而绝大部分是由空气中大量的微小颗粒等散射、反射和折射形成,波长越短,瑞利散射越严重。具有良好特性的入射光学系统可确保仪器对紫外波段太阳和2π立体角内天空昼光辐射的可靠采集。
为了满足全天候太阳紫外光谱总辐射的地面测量需求,必须设计特殊的漫透射入射光学系统来提高整个系统的余弦响应特性,使其接近理想探测器的角度响应特性[5—7]。常用余弦误差和积分余弦误差来评价入射光学系统的余弦特性。定义入射光学系统的余弦误差f2(θ,)的计算公式为[5,6]
其中Y(θ,)是入射光学系统在天顶角为θ、方位角为时的响应信号。
积分余弦误差〈f2〉表示为
余弦误差和积分余弦误差越小,表明入射光学系统的余弦特性越好。
2 国内外研究现状
早期的国际比对表明,由非理想余弦响应带来的测量不确定度超过10%[5],在太阳天顶角较低时尤甚。因此入射光学系统的余弦性能是评价太阳紫外光谱辐射测量系统的一项重要指标,也是限制当前测量水平的重要因素。
国外对太阳紫外光谱辐射计的入射光学系统的研究和设计起步较早,并且已经取得了较大的成绩。例如Germar Bernhard等设计的太阳紫外光谱辐射计的入射光学系统由PTFE球冠型漫射器和遮挡环组成,相对于原来的平板型漫射器系统,余弦响应特性有较大改善。当入射角度θ=60°时,余弦响应误差为-5.9%;当θ=70°时,余弦响应误差为-2.8%;当θ=80°时,余弦响应误差为+0.8%。系统的积分余弦误差为〈f2〉=2.4%[6]。Biospherical公司最新推出了SUV-150型太阳紫外_可见光谱辐射计,入射光学系统采用积分球和平板型TEFLON漫射器组成。Brewer 163太阳紫外光谱辐射计采用Teflon平板型漫射器,系统的积分余弦误差为15%,Brewer 066的积分余弦误差为5%, Brewer107的积分余弦误差为7%,Brewer 119的积分余弦误差为4%,Bentham 5503太阳紫外光谱辐射计的积分余弦误差为2%[8]。Julian Gr¨obner为Brewer光谱辐射计新设计的入射系统由Teflon球冠型漫射器和遮挡环组成,积分余弦误差为2·4%[8]。J GSchreder等设计的余弦型入射光学系统由非平面型余弦漫射器和遮挡环组成。对于θ>50°的入射光线,
漫射器的圆顶形状增加了入射辐射的贡献。而遮挡环减少了θ>80°光线的辐射贡献。圆顶状漫射器和遮挡环的相互作用使0°~75°范围的入射光线的余弦响应误差小于±3%,积分余弦误差小于2·5%。
3 入射光学系统余弦特性的测量装置和测试方法
有两种测量入射光学系统余弦误差的方法:固定入射光学系统,使定标灯绕着入射光学系统旋转;或者固定定标灯,转动入射光学系统。第一种方法的缺点是:测量时灯的移动会影响光输出,此外旋转灯需要较大的空间,整个系统的调整和准直也比较困难[5,6]。我们的实验测试采用固定标准灯、旋转入射光学系统的方法。入射光学系统的余弦特性测试采用直径为140mm的圆盘型分度仪作为测试装置,积分球固定在圆盘型分度仪上。余弦特性测试原理图见图1。采用1000W稳定卤钨灯作为光源,30min的稳定时间和高精度稳压电源能够确保光源的稳定度。灯丝中心至积分球开口的距离大于1.8m,中间加黑色光阑,可近似为点光源。光源后加吸收陷阱,四周加黑色挡屏,用于杂散光的屏蔽。用水准仪和He_Ne激光来调整和保持光路,确保光源、光阑、积分球、余弦漫射器、圆盘型分度仪的光轴重合。图2是圆盘型分度仪示意图。
图3是探测器套筒示意图,采用硅光电二极管作为探测器,和6位半数字电压表联结进行信号的输出和显示。用无光黑漆把探测器套筒均匀喷涂成黑色,在套筒中间的适当位置增加光阑,用来阻止由于探测器套筒壁的反射所形成的杂散光的影响。在实际测量时,按照设定的角度间隔5°旋转圆盘型分度仪,测量不同入射角度θ时的输出信号s(θ),根据(4)式计算在不同的角度时,测量信号与0°时的理想余弦响应s(0)·cosθ之间的偏差u(θ)。
4 实验方案和结果
作为气象领域的测试仪器,必须确保在恶略气候和环境情况下仪器仍能正常工作。这就要求入射光学系统材料的性能要稳定可靠。PTFE对光谱无选择性且具有较高光谱漫反射系数的材料,它的化学特性稳定、耐高温、耐腐蚀、不吸水,非常适合复杂多变的环境[2—4]。好的入射光学系统还应具有以下性能:很好地遵从余弦定律,角度响应与波长无关、受方位角的影响小,较高的通光量能够提高辐射计的探测极限和测量精度,老化系数小,密封性好,在工作波长上材料无荧光等[5,6]。
在理论上,积分球被认为是最好的入射光学系统。通过合理的设计,积分球能具备近乎完善的余弦响应特性[5,6]。由PTFE材料制成的积分球被用于太阳紫外光谱辐射地面测量装置的入射光学系统的主要漫射器。为了进一步改善系统的余弦特性,考虑在积分球的入口处,增加不同形状和材料的余弦漫射器,并通过余弦特性测试装置对以下7种组合系统的余弦响应特性进行了测试:PTFE积分球、PTFE积分球+PTFE切割型漫射板、PTFE积分球+PTFE半球型漫射器、PTFE积分球+PTFE球冠型漫射器、PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器、PTFE积分球+磨砂石英半型漫射器+修正环1和PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器+修正环2,并对结果进行了分析。
4.1 PTFE积分球的余弦特性测试
PTFE材料积分球的几何结构图和余弦特性测试结果分别见图4和图5。对于小于60°的入射光线,PTFE积分球的余弦特性比较理想。但是对于65°~85°范围的大角度入射光线,余弦响应迅速恶化,从-3.82%变化到-65.52%。PTFE积分球入射光学系统的积分余弦误差〈f2〉=2.75%。
4.2 PTFE积分球+PTFE切割型漫射板的余弦特性测试
对于大于60°的入射光线,PTFE积分球的余弦误差为负偏差,这就需要增加额外的余弦漫射器,来进一步改善系统对于大角度入射光线的角度响应特性。在PTFE积分球入口处放置一块3mm厚PTFE切割型漫射板,组合入射光学系统的几何结构图和余弦特性测试结果分别见图6和图7。但是PTFE切割型漫射板使整个入射光学系统的余弦特性进一步恶化,虽然使±80°以上大角度入射光线的余弦特性好转,但是当入射角为±60°时,余弦误差高达-13.21%;对于±70°入射角,余弦误差达到-19.87%。PTFE积分球+PTFE切割型漫射板组合入射光学系统的积分余弦误差〈f2〉=5.18%。该系统的余弦特性比预想中的要差,并且全部是负偏差。主要原因是PTFE切割型漫射板切割面的漫射特性较差,存在部分镜反射。以后可以考虑改进加工工艺,改善入射面的漫射特性。
4.3 PTFE积分球+ PTFE半球型漫射器的余弦特性测试
根据文献报道和实验测试,对于入射角度较大的光线,经过合理的设计,非平面型余弦漫射器的余弦特性要优于平面型器件。我们设计加工了PTFE半球型漫射器,用来进一步优化PTFE积分球的余弦特性。PTFE积分球+PTFE半球型漫射器的组合型入射光学系统的几何结构和余弦特性分别见图8和图9。该系统的积分余弦误差〈f2〉为30.39%,当入射角为±30°时,余弦误差达到10.58%;入射角为±60°时,余弦误差达到60.17%;入射角为±80°时,余弦误差达到259.93%。余弦误差大的主要原因是:2mm厚PTFE半球型漫射器的加工工艺难度大,制作水平差,球壁薄厚不均匀。此外,由于PTFE材料具有非常好的漫射特性,使大角度入射光线对系统的贡献远远超出了余弦响应的理论值,余弦误差均为正偏差。
4.4 PTFE积分球+ PTFE球冠型漫射器的余弦特性测试
PTFE积分球+PTFE球冠型漫射器的组合型入射光学系统的几何结构和余弦特性分别见图10和图11,积分余弦误差〈f2〉为5.80%,当入射角为±30°时,余弦误差达到-2.07%;入射角为±60°时,余弦误差达到3.66%;入射角为±80°时,余弦误差达到74.97%。相对于半球型PTFE漫射起来说,球冠型漫射器的余弦特性有较大改善,主要是减小了大角度入射光线的贡献。
4.5 PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器的余弦特性测试
相对于PTFE材料的球形漫射器,磨砂石英半球型漫射器的制作工艺比较成熟。图12和图13分别是PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器的组合入射光学系统的几何结构图和余弦特性测试结果,该组合系统的余弦特性优于PTFE积分球,积分余弦误差〈f2〉=1.81%。在±70°范围内,余弦误差小于1.69%。当入射角大于70°时,余弦误差迅速增大,是正误差。这是由于半球型漫射器球壁的漫透射和折射的作用,使大角度入射光线对系统的贡献超出余弦响应的理论值。
4.6 PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器+修正环1的余弦特性测试
为了进一步改善大角度入射光学系统的余弦特性,在半球型漫射器的外面设计一个特殊的修正环1,起到部分遮挡大角度入射光线的作用,从而削弱系统对于大角度入射光线的余弦过修正现象(余弦误差为正)。加修正环1的入射光学系统的几何结构图见图14,图15中对加与不加修正环1的余弦误差进行了比较。
可见,增加修正环1能够显著改善系统对80°以上入射光线的角度响应特性。对于±80°的入射光线,余弦误差从+21.89%变为-14.29%,由正误差变为负误差,修正环1阻挡了部分大角度入射光线,但是出现了过修正现象;对于±85°的入射光线,余弦误差从+87.84%降为+18.25%,修正环1的效果较为理想。因此,修正环1对改善整个入射光学系统的角度响应特性较为明显,系统积分余弦误差〈f2〉从1.81%降为1.60%。但是,在改善80°以上入射光线的余弦特性同时,也使65°~80°之间的光线的余弦特性出现恶化。
4.7 PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器+修正环2的余弦特性测试
对修正环1进行了优化设计,优化后的修正环为修正环2。设计的原则是在改善80°以上入射光线的余弦特性的同时,兼顾65°~80°之间的光线的余弦特性。加修正环2的入射光学系统的几何结构图见图16,在图17中对加与不加修正环2的余弦误差进行了比较。
较图15和图17,修正环2的性能优于修正环1。和原系统相比,对于±75°的入射光线,余弦误差从+6.06%改善为-2.00%;对于±80°的入射光线,余弦误差从+21.89%降为+5.50%。系统的积分余弦误差〈f2〉从1.81%改善为0.94%。修正环2能很好地改善整个入射光学系统的角度响应特性,不仅使75°以上入射光线的余弦特性得到改善,而且也确保65°~75°入射光线的余弦响应。
表1对7种不同材料和结构的组合型入射光线的余弦特性进行了比较。PTFE积分球+石英半球型漫射器+修正环2的组合入射光学系统的余弦特性最佳。
5 结 论
太阳紫外光谱辐射地面测量装置是对280nm~400nm波长范围,包括太阳直射以及天空散射在内的2π球面度立体角范围的太阳光谱辐射照度进行定量测量的仪器。为了满足全天候太阳紫外光谱辐射的地面测量需求,必须设计特殊的漫透射入射光学系统,来提高整个装置的余弦响应特性。
本文对太阳紫外光谱辐射地面测量装置中入射光学系统的余弦特性及测试方法进行了讨论。以PTFE积分球为基础,使用不同材料、不同结构的余弦漫射器研制出七种组合型入射光学系统:PTFE积分球、PTFE积分球+ PTFE切割型漫射板、PTFE积分球+PTFE半球型漫射器、PTFE积分球+PTFE球冠型漫射器、PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器、PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器+修正环1和PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器+修正环2,并对七种组合型入射光学系统的余弦特性进行了测试。结果表明:PTFE积分球+磨砂石英半球型漫射器+修正环2的组合型入射光学系统的余弦特性最为理想。在±30°入射角范围内,余弦误差小于0·23%;±60°入射角范围内,余弦误差小于1·1%;±75°入射角范围内,余弦误差小于2·5%;±80°入射角范围内,余弦误差小于5·5%。系统的积分余弦误差〈f2〉=0·94%指标达到国际先进水平。该入射光学系统的应用,能够很好地满足太阳紫外光谱辐射地面测量的需求,改善了太阳紫外光谱辐射地面测量的不确定度。
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作者简介:代彩红(1974_),女,河南省人,中国计量科学院研究院助理研究员,博士,从事光学计量、光谱辐射度学研究。
E-mail:daicaihong@nim.ac.cn
