CIE 202-2011 SPECTRAL RESPONSIVITY MEASUREMENT OF DETECTORS RADIOMETERS AND PHOTOMETERS《探测器 辐射计和光度计的光谱响应测量》.pdf

1、 SPECTRAL RESPONSIVITY MEASUREMENT OF DETECTORS, RADIOMETERS AND PHOTOMETERS CIE 202:2011 UDC: 535.24 Descriptor: Photometry 535.241.5 Quantities related to photometric and other measurements 535.241.535 Calibration ISBN 978 3 902842 26 8 THE INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION The Internationa

2、l Commission on Illumination (CIE) is an organisation devoted to international co-operation and exchange of information among its member countries on all matters relating to the art and science of lighting. Its membership consists of the National Committees in about 40 countries. The objectives of t

3、he CIE are: 1. To provide an international forum for the discussion of all matters relating to the science, technology and art in the fields of light and lighting and for the interchange of information in these fields between countries. 2. To develop basic standards and procedures of metrology in th

4、e fields of light and lighting. 3. To provide guidance in the application of principles and procedures in the development of international and national standards in the fields of light and lighting. 4. To prepare and publish standards, reports and other publications concerned with all matters relati

5、ng to the science, technology and art in the fields of light and lighting. 5. To maintain liaison and technical interaction with other international organisations concerned with matters related to the science, technology, standardisation and art in the fields of light and lighting. The work of the C

6、IE is carried on by seven Divisions each with about 20 Technical Committees. This work covers subjects ranging from fundamental matters to all types of lighting applications. The standards and technical reports developed by these international Divisions of the CIE are accepted throughout the world.

7、A plenary session is held every four years at which the work of the Divisions and Technical Committees is reviewed, reported and plans are made for the future. The CIE is recognised as the authority on all aspects of light and lighting. As such it occupies an important position among international o

8、rganisations. LA COMMISSION INTERNATIONALE DE LECLAIRAGE La Commission Internationale de lEclairage (CIE) est une organisation qui se donne pour but la coopration internationale et lchange dinformations entre les Pays membres sur toutes les questions relatives lart et la science de lclairage. Elle e

9、st compose de Comits Nationaux reprsentant environ 40 pays. Les objectifs de la CIE sont : 1. De constituer un centre dtude international pour toute matire relevant de la science, de la technologie et de lart de la lumire et de lclairage et pour lchange entre pays dinformations dans ces domaines. 2.

10、 Dlaborer des normes et des mthodes de base pour la mtrologie dans les domaines de la lumire et de lclairage. 3. De donner des directives pour lapplication des principes et des mthodes dlaboration de normes internationales et nationales dans les domaines de la lumire et de lclairage. 4. De prparer e

11、t publier des normes, rapports et autres textes, concernant toutes matires relatives la science, la technologie et lart dans les domaines de la lumire et de lclairage. 5. De maintenir une liaison et une collaboration technique avec les autres organisations internationales concernes par des sujets re

12、latifs la science, la technologie, la normalisation et lart dans les domaines de la lumire et de lclairage. Les travaux de la CIE sont effectus par 7 Divisions, ayant chacune environ 20 Comits Techniques. Les sujets dtudes stendent des questions fondamentales, tous les types dapplications de lclaira

13、ge. Les normes et les rapports techniques labors par ces Divisions Internationales de la CIE sont reconnus dans le monde entier. Tous les quatre ans, une Session plnire passe en revue le travail des Divisions et des Comits Techniques, en fait rapport et tablit les projets de travaux pour lavenir. La

14、 CIE est reconnue comme la plus haute autorit en ce qui concerne tous les aspects de la lumire et de lclairage. Elle occupe comme telle une position importante parmi les organisations internationales. DIE INTERNATIONALE BELEUCHTUNGSKOMMISSION Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) ist eine

15、Organisation, die sich der internationalen Zusammenarbeit und dem Austausch von Informationen zwischen ihren Mitgliedslndern bezglich der Kunst und Wissenschaft der Lichttechnik widmet. Die Mitgliedschaft besteht aus den Nationalen Komitees in rund 40 Lndern. Die Ziele der CIE sind : 1. Ein internat

16、ionaler Mittelpunkt fr Diskussionen aller Fragen auf dem Gebiet der Wissenschaft, Technik und Kunst der Lichttechnik und fr den Informationsaustausch auf diesen Gebieten zwischen den einzelnen Lndern zu sein. 2. Grundnormen und Verfahren der Messtechnik auf dem Gebiet der Lichttechnik zu entwickeln.

17、 3. Richtlinien fr die Anwendung von Prinzipien und Vorgngen in der Entwicklung internationaler und nationaler Normen auf dem Gebiet der Lichttechnik zu erstellen. 4. Normen, Berichte und andere Publikationen zu erstellen und zu verffentlichen, die alle Fragen auf dem Gebiet der Wissenschaft, Techni

18、k und Kunst der Lichttechnik betreffen. 5. Liaison und technische Zusammenarbeit mit anderen internationalen Organisationen zu unterhalten, die mit Fragen der Wissenschaft, Technik, Normung und Kunst auf dem Gebiet der Lichttechnik zu tun haben. Die Arbeit der CIE wird in 7 Divisionen, jede mit etwa

19、 20 Technischen Komitees, geleistet. Diese Arbeit betrifft Gebiete mit grundlegendem Inhalt bis zu allen Arten der Lichtanwendung. Die Normen und Technischen Berichte, die von diesen international zusammengesetzten Divisionen ausgearbeitet werden, sind auf der ganzen Welt anerkannt. Alle vier Jahre

20、findet eine Session statt, in der die Arbeiten der Divisionen berprft, berichtet und neue Plne fr die Zukunft ausgearbeitet werden. Die CIE wird als hchste Autoritt fr alle Aspekte des Lichtes und der Beleuchtung angesehen. Auf diese Weise unterhlt sie eine bedeutende Stellung unter den internationa

21、len Organisationen. Published by the COMMISSION INTERNATIONALE DE LECLAIRAGE CIE Central Bureau Kegelgasse 27, A-1030 Vienna, AUSTRIA Tel: +43(1)714 31 87 0, Fax: +43(1)714 31 87 18 e-mail: ciecbcie.co.at WWW: http:/www.cie.co.at/ CIE 2011 - All rights reserved SPECTRAL RESPONSIVITY MEASUREMENT OF D

22、ETECTORS, RADIOMETERS AND PHOTOMETERS CIE 202:2011 UDC: 535.24 Descriptor: Photometry 535.241.5 Quantities related to photometric and other measurements 535.241.535 Calibration ISBN 978 3 902842 26 8 CIE 202:2011 II This Technical Report has been prepared by CIE Technical Committee 2-48 of Division

23、2 “Physical Measurement of Light and Radiation“ and has been approved by the Board of Administration of the Commission Internationale de lEclairage for study and application. The document reports on current knowledge and experience within the specific field of light and lighting described, and is in

24、tended to be used by the CIE membership and other interested parties. It should be noted, however, that the status of this document is advisory and not mandatory. Ce rapport technique a t labor par le Comit Technique CIE 2-48 de la Division 2 “Mesures Physiques de la Lumire et des Radiations“ et a t

25、 approuv par le Bureau de la Commission Internationale de lEclairage, pour tude et emploi. Le document expose les connaissances et lexprience actuelles dans le domaine particulier de la lumire et de lclairage dcrit ici. Il est destin tre utilis par les membres de la CIE et par tous les intresss. Il

26、faut cependant noter que ce document est indicatif et non obligatoire. Dieser Technische Bericht ist vom Technischen Komitee CIE 2-48 der Division 2 “Physikalische Messungen von Licht und Strahlung“ ausgearbeitet und vom Vorstand der Commission Internationale de lEclairage gebilligt worden. Das Doku

27、ment berichtet ber den derzeitigen Stand des Wissens und Erfahrung in dem behandelten Gebiet von Licht und Beleuchtung; es ist zur Verwendung durch CIE-Mitglieder und durch andere Interessierte bestimmt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Dokument eine Empfehlung und keine Vorschrift ist. An

28、y mention of organisations or products does not imply endorsement by the CIE. Whilst every care has been taken in the compilation of any lists, up to the time of going to press, these may not be comprehensive. Toute mention dorganisme ou de produit nimplique pas une prfrence de la CIE. Malgr le soin

29、 apport la compilation de tous les documents jusqu la mise sous presse, ce travail ne saurait tre exhaustif. Die Erwhnung von Organisationen oder Erzeugnissen bedeutet keine Billigung durch die CIE. Obgleich groe Sorgfalt bei der Erstellung von Verzeichnissen bis zum Zeitpunkt der Drucklegung angewe

30、ndet wurde, besteht die Mglichkeit, dass diese nicht vollstndig sind. CIE 2011 - All rights reserved CIE 202:2011 III The following members of TC 2-48 “Spectral Responsivity Measurement of Detectors, Radiometers and Photometers“ took part in the preparation of this Technical Report. The committee co

31、mes under Division 2 “Physical Measurement of Light and Radiation“. This present publication supersedes CIE 64-1984 “Determination of the Spectral Responsivity of Optical Radiation Detectors”. Eppeldauer, G. USA (Chair) Gardner, J. Australia Goodman, T. United Kingdom Kaplan, S. USA Ohno, Y. USA Pal

32、mer, J. USA Saito, T. Japan Sauter, G. Germany Sperling, A Germany Winter, S. Germany Zong, Y. USA CIE 202:2011 IV CONTENTS Summary VI Rsum VI Zusammenfassung VI 1 Introduction 1 2 Definitions 3 3 Spectral Radiant Power Responsivity Measurements . 3 3.1 Measurement Geometry . 3 3.2 Measurement Setup

33、 . 4 3.2.1 Monochromator-Based Measurement Setup . 4 3.2.2 FT-Based Measurement Setup . 7 3.3 Detector Standards 9 3.3.1 Reference Radiometers . 9 3.3.2 Radiometers for Extended Wavelength Range 12 3.3.3 Working Standards 13 3.4 Selection of Detectors 13 3.4.1 Basic Characteristics of Photodiodes .

34、13 3.4.2 Typical Radiometers and Photometers . 18 3.5 Measurement Methods 19 3.5.1 Substitution Method . 19 3.5.2 Measurement Transfer to Test Devices 20 3.6 Measurement Uncertainty 21 3.7 Spectrally Integrated (Broad-Band) Power Meters 26 3.7.1 Uncertainties of the Standard Detector Spectral Respon

35、sivity Values . 28 3.7.2 Uncertainty Contributions of Quantities Involved in the Transfer Process . 29 3.7.3 Spectral Responsivity Calibration of Illuminance Meters and Tristimulus Colorimeters 30 4 Spectral Irradiance Responsivity Measurements 32 4.1 Measurement Geometry . 32 4.2 The Cosine Law . 3

36、4 4.3 Irradiance Sources for Calibrations 34 4.4 Irradiance and Illuminance Meters . 35 4.4.1 Irradiance and Illuminance Standards. 35 4.4.2 Typical Irradiance and Illuminance Meters 37 4.5 Measurement Methods and Irradiance Responsivity Transfer . 39 4.5.1 Power to Irradiance Responsivity Conversio

37、n with Aperture 39 4.5.2 Integrated Irradiance Measurement (Raster Scan) Method . 39 4.5.3 Substitution Method . 40 4.5.4 Differential Spectral Responsivity Method . 41 4.6 Spectrally Integrated (Broad Band) Irradiance Meters . 43 4.7 Calibration of Illuminance Meters with Monochromatic Point Source

38、s . 43 4.8 Measurement Uncertainties . 44 5 Spectral Radiance Responsivity Measurements. 44 5.1 Measurement Geometry . 44 5.2 Radiance and Luminance Meters . 45 5.3 Measurement Methods and Transfer 46 CIE 202:2011 V 5.3.1 Geometric Calibration Based on Power Responsivity 46 5.3.2 Relative Spectral R

39、adiance Responsivity Determination . 48 5.3.3 Calibration against Uniform and Monochromatic Extended Sources 49 5.4 Spectrally Integrated (Broad Band) Radiance Meters 49 5.5 Measurement Uncertainties . 49 6 Spectral Considerations in Responsivity Measurements 49 6.1 Monochromators 49 6.1.1 Basic Ope

40、ration . 50 6.1.2 Spectral Purity (Spectral Stray Light) and the Double Monochromator . 51 6.1.3 Selecting and Using a Monochromator for Spectral Responsivity Measurements . 53 6.1.4 Spectral Considerations . 56 6.1.5 Bandwidth Effects 57 6.1.6 Recommendations . 58 6.2 Uniform Sources 58 6.2.1 Unifo

41、rm Sources Using Lasers and Integrating Spheres . 59 6.2.2 Calibrations Using Uniform Laser-Sphere Sources . 60 6.2.3 Uniform Sources Using Spheres and Collimators 61 6.3 Use of Narrow Bandpass Filters . 61 6.4 Bandpass (Filter) Radiometers . 62 6.5 Stray Light and Fluorescence Issues 65 6.5.1 Stray

42、 Light in Monochromators . 65 6.5.2 Fluorescence of Optical Elements 66 7 Detector Amplifiers . 67 8 References . 70 CIE 202:2011 VI SPECTRAL RESPONSIVITY MEASUREMENT OF DETECTORS, RADIOMETERS AND PHOTOMETERS Summary This Technical Report gives recommendations for spectral radiant power, irradiance

43、and radiance responsivity measurement of single element detectors in the 200 nm to 2 500 nm wavelength range. It covers measurement setups and methods, summarizes the types and basic properties of typical detectors, radiometers and photometers and gives guidance on how to choose a reference detector

44、. Spectral considerations for source and radiometer applications, detector amplifier application issues and measurement uncertainties are described. Primary detector standards and procedures for the realization of units and responsivity functions are the responsibility of national metrology institut

45、es and are not discussed in this report. This Technical Report was written to update Technical Report CIE 64-1984 “Determination of the Spectral Responsivity of Optical Radiation Detectors” with respect to device and measurement technology, and to include spectral irradiance and radiance responsivit

46、y measurements for radiometers and photometers from the ultraviolet wavelength range up to 2 500 nm. MESURE DE LA SENSIBILIT SPECTRALE DES DTECTEURS, DES RADIOMTRES ET DES PHOTOMTRES Rsum Ce rapport technique fournit des recommandations pour la mesure de la sensibilit spectrale des dtecteurs, que ce

47、 soit en puissance rayonnante, en luminance nergtique ou en clairement nergtique, dans le domaine spectral compris entre 200 nm et 2 500 nm. Il prsente les diffrentes installations et mthodes de mesure, ainsi que les diffrents types de dtecteurs, de radiomtres et de photomtres et leurs proprits de b

48、ase, et il fournit des conseils pour choisir un dtecteur de rfrence. Les aspects spectraux des sources et des dtecteurs, les difficults lies lamplification des signaux issus des dtecteurs et les incertitudes de mesures sont dcrits. Les dtecteurs talons primaires et les mthodes qui permettent la rali

49、sation des units et des courbes de sensibilit spectrales sont du ressort des instituts nationaux de mtrologie et ne sont pas abords dans ce rapport. Ce rapport technique a t crit pour actualiser le rapport technique CIE 64-1984 “Determination of the Spectral Responsivity of Optical Radiation Detectors” (“Dtermination de la sensibilit spectrale des dtecteurs de rayonnements optiques“) pour prendre en comp