测量350～1 100 nm 光源光谱总辐射通量的标准装置

赵伟强，刘 慧，闫劲云，苏 颖，姜 琳

(中国计量科学研究院，北京 100029)

引言

光谱总辐射通量是光源全空间辐射通量的光谱密集度，是描述光源发光特性的量值之一。新型的带有光谱辐射计的积分球装置(以下称积分球光谱辐射计)使用量日益增长，使用该测量装置可以测量光源的光谱辐射总通量量值，并计算出相应的光度值和色度值。操作过程简单快捷。特别是测量非国际照明委员会(CIE)标准A光源(例如LED、节能灯)，无需进行探测器的视觉函数失配修正，相对于传统的配用硅探头的球形光度计具有一定的优势[1，2]。积分球光谱辐射计需使用光谱总辐射通量标准灯定标，这对计量量值体系提出了新的要求。为此，中国计量科学研究院进行了光谱总辐射通量量值复现和量值传递技术的相关研究[3，4]，建立了350～1 100 nm光源光谱总辐射通量测量标准装置，实现了光谱总辐射通量量值的复现(绝对测量)和快速传递(相对测量)。本文将介绍积分球光谱辐射计的组成原理，讨论该装置的定标方法、量值传递过程，并给出测量结果不确定度评估的实例。

1 积分球光谱辐射计基本结构和原理

积分球光谱辐射计装置一般包括光谱辐射计、光度计、积分球、控制计算机等，结构见图1。

图1 积分球光谱辐射计结构图Fig.1 The Structure of spherical spectroradiometer

积分球的大小可根据被测光源的尺寸进行选择，一般直径为1.0～2.0 m，内部均匀地涂有反射率约为90%的漫反射涂层。挡屏位于光源和探测器D1、D2连线的中间位置，用于遮挡光源发出的光直接照射到探测器上。D1是硅光度头连接光度计；D2是辐射照度收集头，通过光纤把所收集的光线导入至光谱辐射计。探测器采集的光电信号传输至计算机，并由计算机通过程度计算出被测光源的光谱总辐射通量、光通量、发光效能、色品坐标、色温等。

根据积分球理论[5，6]，位于积分球内部的光源在球壁内部形成的光谱辐射照度Ee(λ)正比于光源所发出的光谱总辐射通量Φe(λ)，见式(1)。

(1)

其中k(λ)表示两者之间的系数。

采用比较法，用积分球光谱辐射计测量被测灯的光谱总辐射通量值。设标准灯的光谱总辐射通量为Φstd,e(λ)，被测灯的光谱总辐射通量为Φtest,e(λ)，所测得的光电流分别为Rstd,e(λ)和Rtest,e(λ)。Cabsp(λ)是两者因形状差异带来的吸收修正系数。被测灯的光谱总辐射通量测量值计算原理可以用式(2)表示。

(2)

点燃辅助灯，经充分预热，控制电参数，保持发光稳定状态，分别安装标准灯和被测灯在积分球中心位置，测量相应的光电读数Rstd,aux(λ)和Rtest,aux(λ)，按照式(3)计算吸收修正系数。

(3)

2 测试步骤和过程

2.1 设备预热

测量前，在积分球内点燃一支和被测灯功率接近的普通灯，烘烤球壁除去潮气；同时预照光谱辐射计，使其响应度稳定。预照时间一般为30 min。

2.2 光谱辐射计的参数设置

设置光谱辐射计的参数，选择合适的量程和波长范围。采用阵列式电荷耦合器件(CCD)的光谱辐射计，设置光衰减片和积分时间，或者设定为自动量程，使得最大信号为满量程的80%左右。工作的波长范围根据标准灯和被校灯的光谱范围确定，如350～1 100 nm。对于变化缓慢的宽光谱光源，间隔应小于或等于5 nm。对于准单色光源(如LED)或者带窄光谱谱线的混合光谱光源(如荧光灯)，间隔应小于或等于2 nm。

2.3 积分球光谱辐射计的定标

积分球光谱辐射计的定标有两种方法。第一种方法采用1只标准灯标定校准装置的光谱总辐射通量光谱密集度常数,用另外2只标准灯验证。第二种方法采用3只标准灯的平均值定标校准装置的光谱总辐射通量光谱密集度常数。

1)定标验证法。按照规定方式点燃光谱总辐射通量标准灯，读取光谱辐射计相应波长点光谱响应值mstd,1(λ)。该标准灯在相应波长点的光谱总辐射通量值为Φstd,1(λ)，则得光谱总辐射通量的光谱密集度常数为

(4)

(5)

δi(λ)反映了灯组内各只灯的量值一致性和系统的测量重复性，应满足表1所示的要求。若用于验证的标准灯光谱总辐射通量标准值和测试值偏差值超过给定值，应重测或更换标准灯，并重新对系统进行定标操作，并重复前述的验证过程，直至偏差值小于给定值。

表1 标准灯光谱总辐射通量一致性要求Table 1 The consistency requirement of the total spectral radiant flux

2)平均值法。规定方式分别依此点燃定标用的光谱总辐射通量标准灯。在选定的波长点测量光电读数为mi(λ)(i=1,2,3)。该标准灯在相应波长点的光谱总辐射通量值为Φstd,i(λ)(i=1,2,3)，则波长点λ的光谱总辐射通量常数是每支标灯对应通量常数的平均值，即式(6)及式(7)。

(6)

(7)

(8)

2.4 测量及数据处理

系统定标后，测量被测灯时独立装调并测量读数两次。测量所得第1,2次被测灯的光谱辐射计的光谱光电流读数是mtest,j(λ)(j=1,2)，则第1,2次被测灯的光谱总辐射通量见式(9)。

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

(9)

两次独立测量的偏差不应大于0.5%。若偏差大，应进行第3次测量或更多次测量。剔除离散值后重新计算偏差，直至偏差小于上述给定值。

该被测灯光谱总辐射通量结果为剔除离散值后两次测量的平均值，见式(10)，即

(10)

3 不确定度评估

使用三支标准灯光谱总辐射通量光电常数定标光谱辐射计，被测灯光谱总辐射通量按式(11)计算。

(11)

按标准灯和被测灯均是24 V 100 W的卤素灯，在350 nm、380 nm、555 nm、780 nm和1 100 nm处，各不确定度评估值见表2。

表2 光谱总辐射通量不确定度评估表Table 2 The evaluation table of the uncertainty of the total spectral radiant flux

4 实验验证

图2 灯组的350～1 100 nm光谱总辐射通量常数相对偏差Fig.2 The of the 350～1 100 nm light source

5 结论

我们建立了一套用于测量350～1100 nm光谱总辐射通量的积分球光谱辐射计标准装置，并用相对比较法实现光谱总辐射通量量值从标准灯至被测灯的快速传递。经实例评估，该积分球光谱辐射计在350～1 100 nm的扩展测量不确定度为Urel=3.1%～1.3%(k=2)，与国际先进计量机构报道的扩展测量不确定度的最新水平相当。