1、ICS 17.180.20 K 70 g昌中华人民=lI工./、和国国家标准GB/T 26179-20 1 O/CIE 63一1984光源的光谱辐射度测量The spectroradiometric measurement of light sources (CIE 63-1984, IDT) 2011-01-14发布2011-06-15实施 棋队币伪/中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会发布GB/T 26179-20 1 O/CIE 63一1984目次前言.1 引言.n O 术语.11 光谱辐射度计及使用方法1. 1 光谱辐射度测量系统的基本组成元素-1. 2 光谱
2、辐射照度的测量.1. 3 光源辐射亮度和辐射通量的测量.1. 4 输入光路的布局.1. 5 单色仪的特性1. 6 探测器和测量系统.7 1. 7 标准光源91. 8 测量方法91. 9 误差分析1. 10 准确性要求162 各种类型光源的测量步骤.17 2. 1 鸽丝灯2.2 管形荧光灯附录A(资料性附录)光谱辐射测量的基本原理.人1引言nA.2 连续辐射的测量21人3线性辐射的测量A.4 带宽的测量.22 A.5 光谱的测量nA.6 f(，)的实验测定M参考文献.GB/T 26179-20 1 O/CIE 63一1984目U昌本标准等同采用CIE63-1984(光源的光谱辐射度测量)(英文版
3、)。本标准等同翻译CIE63一19840为便于使用，本标准做了下列编辑性修改:a) 本技术报告一词改为本标准气b) 用小数点代替作为小数点的，Ec) 删除CIE63-1984的前言。本标准的附录A为资料性附录。本标准由中国轻工业联合会提出。本标准由全国照明电器标准化技术委员会(SAC/TC224)归口。本标准起草单位:国家电光源质量监督检验中心(北京)、杭州远方光电信息有限公司、中国质量认证中心、北京新材料科技促进中心。本标准主要起草人:华树明、潘建根、陈松、阮军。本标准首次发布。I GB/T 26179-2010/CIE 63-1984 引本标准分为两部分，第一部分包括光谱辐射度计的一般使用
4、方法，通过参考光度和色度的测试结果，来测量任何光源的光谱能量分布。第二部分涉及不同种类的灯的测量，特别是管形荧光灯。如有需要，应该增加更多的部分来扩充本标准对于其他种类光源的适用范围。测量光源的光度和色度特性基本有两种途径:宽带测量法:可以使用一个探测器，它的光谱响应函数与明视觉或暗视觉条件下的CIE标准光度观察者相一致;或者使用一个三剌激值色度计，它的光谱响应函数与CIE1931标准色度观察者相一致，或为其线性转换的三剌激值色度计直接进行的测量。这些方法在本标准中被称作宽带测量法。光源的光谱能量分布分光辐射测量法:要使探测器的相对光谱响应率符合CIE标准光度和色度观察者是很困难的，但是在所有
5、情况下，对于光源的某些特性，至少要了解光谱能量分布的相对形式(例如当计算显色指数时)。当光谱测量直接用于光度量的计算时，光谱能量分布应以绝对值的形式进行测量。涉及到这种类型的测量，我们应认识到，光谱辐射度测量要想给出有意义的光度和色度结果，那么测量系统的单个部分和使用的技术就应满足极为严格的标准。本标准的目的:详细说明一种用光谱辐射度学来测量连续光谱，线状光谱和混合光谱光源的简单的但适合的程序。这种方法适用于测量光谱的近紫外，可见和近红外区域的光谱辐射照度，辐射亮度和辐射通量。说明哪些方法步骤是应该用到的，哪些是不应该用到的，同时也说明了不应该使用的原因。指出不同具体应用条件下所要求的光谱辐射
6、度测量的精确性，包括光度测试，色表和显色性。本标准给出的测试程序包括测量一个荧光灯或灯的一部分，或荧光灯加上一个例如灯具的特殊调节器后的光谱辐射照度，辐射亮度和辐射通量。同样也被考虑过其他的包含有线谱或线状光谱与连续光谱?昆合的光源的辐射测量。H GB/T 26179-2010/CIE 63一1984光源的光谱辐射度测量0 术语本标准中讨论到的辐射量在国际照明词汇(CIE1983)中有详细定义。但是在这里重申一遍一些涉及到的重要概念是很有帮助的。O. 1 (在表面一点的)辐射照度Irradiance(at a point of a surface) 是入射到包含该点的面积元上的辐射通量除以该面
7、积元的商。辐射度表达式为Ee=d仇/dA在SI中的单位为W.m-2 (瓦特每平方米)。0.2 辐射亮度Radiance 是指辐射源表面上一点处在给定方向的辐射亮度是包含该点的面积元在给定方向上的辐射强度与面元在垂直于该方向的平面上的正交投影面积之商。辐射亮度的表达式为Le=d2仇/(.dA cos的，在SI中的单位为W.sr-1m-2(瓦特每球面度每平方米)。前缀词光谱的是完全表达一光谱密集度的缩写，光谱密集度是指在给定波长两侧附近，元穷小波长范围内的辐射通量与该波长间隔之商。光谱辐射照度的表达式为Ee=dEe/趴在SI中的单位为W.m-3，或W.m-2 nm一1。光谱辐射亮度的表达式为Le=
8、 dLe / d 在SI中的单位为W.sr一lm-3，W. sr-1m-2 nm-1 0 在实践中，测量的量往往围绕丘，或Le与光谱辐射度计的光谱响应函数之间进行。光度值是通过用加权函数的积分的光谱测量得到的，比如fEe，y()do这种积分法一般是用带宽b.求和得到的，即:6Ee，y()do要想得到一个绝对值，求出的和就应再乘以Km即V()响应值最大时的光效，定义为6831m/W。更详细的光度值定义见CIE18/2(物理光度学基础。1 光谱辐射度计及使用方法1. 1 光谱辐射度测量系统的基本组成元素一个光谱辐射度测量系统是由三个基本元素组成的21) 一个或几个光源、电气测量仪器及供电电源;2)
9、 用于捐合光源、光接收器的分光单色仪;3) 光接收器、工作电源、数据采集及输出装置。图1用一个普通的图表表示一个象征性的光谱辐射度测量系统。关于光谱辐射度测量的基本原理见附录A。首先将尝试各种光谱辐射度计实际的装置的局限性。然后会补充更深的内容来扩充本标准特殊测量技术方面的范围。1. 2 光谱辐射照度的测量一般测量过程包括被测光源和一只己知光谱能量分布的标准光源(通常是一只鸽丝灯)的比较。在所有情况下，校准的精确情况应加以说明，以保证这些情况在光源以后的使用中可以再现。对于辐射照度来说，测量的是光源在给定方向上到达指定的区域内的辐射。如果需要绝对测量的1 GB/T 26179一2010/CIE
10、63-1984 话，就要严格限定光源与被辐射面的距离。理想情况下辐射应当来自于整个光源表面产生的辐射照度，虽然对于大的光源来说，应该加一个光阑来隔离出代表性的被测部分，以阻止光以一个大入射角人射到光谱辐射度计。因此，建立辐射照度测量的条件应该包括以下信息:1) 光源的空间方向和灯座、灯箱(如果有)的详细说明;2) 被辐照面的中心点相对于光源的方位和距离;3) 校准适用区域的方向和范围。为了尽量减少由于测量系统的非线性误差，被测光源的信号和标准光源的信号应尽可能的相近。为此，应适当调整两个光源之间的距离。当两个光源的光谱不同时，比如一个荧光灯和一个鸽丝灯比较时，则应考虑它们在某些波长的光谱响应水
11、平的不同，系统的线性要求就会相应的更高。L丁斗捕流源如交电且-8读数系统单色仪标准灯稳定的直流电源稳定的高压电源图1光谱辐射计系统的配置框圄1. 3 光源辐射亮度和辐射通量的测量1. 3. 1 光谱辐射亮度对于辐射亮度的测量，按照它的定义，即测量在给定方向上的，辐射源面上指定部分的辐射量。通常只有辐射源面上某指定面积的辐射被接收，这种分离是通过把这部分辐射面成像到一个适当的视场光阑上。测量部位的选择取决于所研究区域辐射亮度的空间均匀性。推荐的校准方法包括直接用标准光谱辐射亮度源替代被测辐射掠，这种情况下，仪器的光谱选择性和几何特性都是无关的，因为对于标准源和被测源来说，这些都是相同的。虽然使用
12、了一个视场光阑来分离出源的指定区域，但是光学系统中的衍射效应仍可能使周围区域的辐射亮度影响像的辐射亮度。如果标准辐射源和被测辐射源在区域外的辐射面部分在大小和形状方2 GB/T 26179-2010/CIE 63一1984面相差很大，那么就需要对这种衍射的影响进行修正。对于辐射亮度的校准，对操作条件的全面描述应包括以下信息:1) 灯或其他类型的辐射源的空间方位以及灯头和灯箱(如果有)的细节;2) 被校准部位的位置和大小;3) 主轴的方位及成像光学元件的可接收角。通常鸽带灯被用作光谱辐射亮度的标准源，但对于较低的辐射亮度，有时使用光谱反射特性己知的表面，并由被标准光谱辐射照度照射。被测源和标准源
13、所发出的光谱信号应尽可能相等，以减少由测量系统的非线性可能引起的误差。如果在强光源前使用一个衰减器，那么它在每一个波长的衰减因子都应精确的知道。虽然工业化的实验室通常选择在几何条件相似的条件下进行比较性测量，但是有时还是有必要依据光谱辐射照度标准来测量光谱辐射亮度。在这种情况下，被测辐射源(或它的成像)的某一已知面积辐射表面的光谱辐射强度，就可以通过某一已知距离下该辐射源所产生的光谱辐射照度导出。光谱辐射亮度就可以由光谱辐射强度除以光阑面积得到。在这种比较测量中，对于成像系统的光谱透射比应进行修正，并且应很好地确定几何条件，以保证必要的准确的测量。用一个单独的实验来检查一下这种测量是适当的，例
14、如使用宽带辐射而不是单色辐射(Bauer，1973)。1. 3. 2 空间总光谱辐射通量对于测量空间总光谱辐射通量，被测源应安装在一个积分球内，从积分球出口出射的辐射应辐照到光谱辐射计的输入光学部分。应提供挡屏，且挡屏要用与积分球内壁相同的材料喷涂，以避免辐射源的辐射直射到球的出口。对于总光通量的测量，确定灯工作在哪一种状态是非常重要的。如果标准源是有方向性的，那么就应对积分球的光谱选择性和辅助光学部件进行修正。但是如果使用总光谱辐射通量标准，就可以用替代法测量被测源，此时对于积分球引入的修正就没有必要了，但是自吸收的影响还应考虑，因为不可能同时将两个源放入积分球内。如果标准源和被测源的光谱辐
15、射通量的空间分布不同的话，测量时应该特别注意，必要时还需要做附加的修正。1. 4 输入光路的布局在辐照度测量中，最好避免辐射源直接照射单色仪的入射狭缝，因为在单色仪和探测器的光电阴极上的辐照度分布会发生变化。在狭缝前使用透射式漫射器不太可能解决这个问题，因此不予推荐。它所产生的漫射程度随波长变化而变化，且在许多情况下，在光谱的长波端几乎为零。光谱辐射照度测量最准确的方法是在单色仪的入射狭缝前是使用一个积分球(见图2)。球上的入射窗口位于与单色仪光轴成90。的位置上。球可方便的沿着与单色仪光轴相一致的直径旋转，可停留在两个对称位置上，此时人射窗口在与轴垂直的同一平面上。在一个位置上标准源的辐射进
16、入人射窗口，另一个位置上则被测源的辐射进入入射窗口。另一种方法是将球固定，移动两个辐射源，以使第一个辐射源和第二个辐射源能依次照射入射窗口。完美的漫射并不总是重要的，重要的是积分球能够以相同的方式处理两个源的辐射。但是当被比较的两个源在大小和形状上明显不同的话，要满足前一种情况就更加困难了。3 GB/T 26179-2010/CIE 63一1984图2使用积分球测量光谱辐射照度时的两种系统被测源和标准辉、对球壁的直接辐射区最好是完全一样的，但在不能满足这个条件时，通常只要能保证被单色仪观测到的球壁部分和被任一光源直接辐照的部分不重叠就可以了。也就是说只有经过两次或更多次的反射后的辐射才能进入单
17、色仪。需要注意的是，不要使积分球出来的辐射过量地进入单色仪，以避免造成过多的杂散辐射。要提供充足的屏蔽，以避免除了被测源以外的其他辐射源的辐射进入积分球。在上述条件下，积分球对光的相当完全的消偏振作用，最大程度地减小了单色仪偏振和光源偏振的相互作用。这样，在任何情况下，单色仪的人射狭缝都被完全而均匀的填充。从标准源和被测源出来的辐射通量被同样地削弱。积分球的使用对于光源的安装提供了很大的灵活性。只要借助于积分球的入射窗口定位方向的变化，其他任何平面的光谱辐射亮度的测量也会很简单。入射窗口的边缘应很尖锐以避免余弦误差。Nonaka等(1972)使用的积分球的几何参数为:内径200mm，入射、出射
18、口直径40 mm 使用积分球的缺点之一是由于球壁涂层的吸收，使得到达探测器的辐射减少，特别是在紫外CUV)光谱区。这就使得简单的几何光学测试成为必要。可以使用一个平面漫反射板，对其进行正常照射并在45。角观察，以这种方式来代替积分球(见图3)但是存在引人系统误差的危险。漫射板可以有高出5或10倍的效率，但它会引起更大的偏振和角度敏感误差。为了使漫射板远离单色仪，可以使用透镜或平面镜将它成像在入射狭缝上，从而提供更大的空间来安装辐射源。当需要高效率来减少信噪比所引起的不确定度时，应考虑使用漫射板。偏离正常位置450辐照漫射板有以下缺点:在漫射板上会出现一个小的辐照梯度，这可能引起探测器接受面上辐
19、照度的差异。对于工作在反射材料已有部分吸收的光谱区的棱镜仪器，不均匀的辐照可能会增大误差。这种光路配置的对称性可用交换被测源和标准源的办法评定。对于苛刻的工作，特别是在使用45。或垂直照射的漫射板时，最好是在一条光路中使用一个永久固4 G/T 26179-2010/CIE 63一1984定的比较辐射源。被测惊和标准源则可以在另一条光路中交替使用，因而可以保证在完全相同的几何条件下使用被测源和标准源。参照辐射源的作用是在比较测量标准源和被测源时，提供对光谱辐射计响应函数可能产生飘移的补偿。图3使用漫反射极测量光谱辐射照度1. 5 单色仪的特性单色仪最主要的特性有波长精确性、有效带宽、采集光效率和
20、杂散光特性。单色仪采集光效率特性是指在带宽值设置好时，决定在人射狭缝口人射辐射能量的部分。下面的表达式对于比较不同单色仪在调节到相同的带通时的传输辐射能量的能力方面是非常有用的:() h A d s() = . / r. .一f d 式中:() 系统的光谱传输，由反射和传输损耗，及衍射光栅的效率等确定:h一一入射狭缝和出射狭缝的高度，假定单个放大倍数;A一一限定孔的发射面，比如衍射光栅;f一一准直仪的焦距;且一单色仪的角色散。d 在推断以上表达式时，假定光栅工作在利特罗(Littrow)方式(或棱镜处于最小偏离)，缝隙处和其他孔处的衍射可以忽略不计。棱镜单色仪的其中一个缺点是仪器的带宽随着波长
21、的不同而不同。在给定的缝隙设置值时，长波的带宽会相对宽一些。这种情况不会出现在光栅单色仪上，因为对于小角度的偏离，光栅对于辐射的色散是一个常数。从另一个角度来看，使用光栅单色仪时需要加装一个或几个滤光片来消除二级光谱或更多级光谱的辐射，这个问题在棱镜单色仪上就不会发生。一个双分光系统，双棱镜，双光栅或棱镜-光栅会由于它的较精良的杂散光辐射特性而更加受到青睐。出于这种考虑，干涉或全息光栅的表现会比它们的一般刻划光栅要好的多。棱镜-光栅组合的双单色仪由于融合了近乎恒等的带宽和近乎线性的波长数值范围的优点而变有用。双单色仪对加减法都适用。一个加法双单色仪，两部分散射是叠加的，然而减法双单色仪，是相互
22、抵消的。后一种情况，出射狭缝辐射输出的光谱组成相对于视觉方向来说是独立的。对于加法仪器而GB/T 26179-2010/CIE 63-1984 言，为光谱辐射度测试设置相对较宽的带宽是很困难的。单棱镜或光栅单色仪会在某些情况下使用，但是需要额外的工作来保证结果的一致准确性。如果使用单分光器的单色仪，应该在探头存在相对低的响应值的波长区域或光源光谱能量分布较低的波长区域使用合适的滤光装置来减少杂散光的干扰。使用这种滤光装置的目的是在探头响应值较高或光源较强烈的光谱区域减少杂散光。衍射光栅的偏振作用的影响要大于棱镜的影响，要经常检查以保证仪器的效率不会随波长发生急剧的变化，例如可以检查光栅的严重异
23、常现象。比如说，测量鸽丝灯时的光谱应该是平滑的，没有尖峰的特性，一般情况下，如果在整个系统的波长范围内有比较陡的阶梯状函数响应，那么极有可能导致系统性误差。当选择一个单色仪时，评估一下它的光学设计是很有必要的。它应该使用最少的光学表面，因为这些表面的反射和散射是导致错误的波长的杂散辐射传播的潜在原因。虽然它会带来一些困难，但很有必要对这类杂散光辐射进行精确测量。测试程序需要使用一个高性能的窄带干涉滤镜(高的峰值透射比，非峰值截止透射比)，它的峰值透射比在一个低气压放电灯的强光谱线上。透射比需要利用该灯精确的确定而不是利用经常配套设备使用的光源。将设备设定为在波长工作后，采取两个透射辐射度的测量
24、:一个在出射狭缝使用干涉滤光装置，另一个则不使用，设备使用的光源就是辐射光源，通常是一个接近白光的光源。探头也应该是用于常规测量的所使用的探头。如果Rl和R2分别是使用和未使用干涉滤光装置的响应值，TC)是滤光装置在线性波长处的透射比，以)是设备所透射的实际辐射通量，仇是杂散辐射，那么R1=KrjC)T()和R2=KrjC均十K弘其中K是一个常数，因此仇/1C)= C R2 TC)/Rl)-l 响应测量的精确性取决于杂散辐射，杂散辐射又决定于干涉滤光装置的质量，干涉滤光装置应该有一个平的光谱透射函数，但是无论如何，测量可以给设备特性一个向导。以上步骤中用于检查是否有在选择的通带以外的波长的杂散
25、光的变量，是用来测量系数的，即涉及的响应与指定k下的通常状态下的被测光源，然后用一个在单色仪入射狭缝处的合适的干涉滤光器或一个锐截止滤光器进行反复的比较。滤光器的出现不可以改变测量系数。研究杂散辐射是否存在和特性的一个最好的方法，就是在波长小于锐截止滤光器的截止点处测量若干个锐截止滤光器的透射比。这是那些滤光器的一个特性，它们在这个区域有强烈的吸收，如果设备记录下任何的透射，那是由于波长大于截止波长的杂散辐射导致的。使用了这一系列的不同波长级别的滤光器，可以建立起来在给定的单色仪波长处的杂散光光谱分布图。一个合适的系列，用光谱范围在300 nm700 nm，可以从许多专门的光学玻璃制造商那里获
26、得。值得注意的是，许多吸收滤光的玻璃都有荧光的，这种荧光不应该与杂散光混淆。应该注意的是部分的杂散光是许多变量的函数:包括带宽，测量波长，探头的光谱响应，单色仪和所有辅助光学设备的光谱透射比(当单色仪调整到测量波长)，光源的光谱分布，进入单色仪人口狭缝的有角度的能量分布，人口狭缝的高度和直到探头的入射光束的角度。当单色仪调整到有较低透射比的波长或来自探头的信号很弱时，杂散光就会是一个很令人头疼的问题。对于从衍射光栅出射的光的散射的理论研究，Verrill(1987)和Sharpe和Irish(1987)的报告可供参考。但是现实测量设备中的辐射可以在光学系统的许多部分发生散射。一个有良好的设计和
27、构造的单色仪应该提供校准的稳定性和精确性，但是经常进行波长的校准是很有必要的。波长数值范围所需的精确性取决于光谱辐射度结果赋值的使用。如果把色度计算当作是最苛刻的应用，对于大多数包括荧光灯在内的白光光源来说，x和y的精确性在对应400nm到600nm 中:!:O.lnm的波长中应为0.00010大多数单色仪不会保持这种波长精确性，除非温度可以控制在士0.5.C以内。GB/T 26179-2010/CIE 63-1984 最大带通同样取决于色度误差的考虑。带通太窄会造成很多困难，因为这样会增加线性和连续产生的探头响应的系数，同样这样会造成因波长的改变而产生信号的快速变化。带通在1nm到5nm之间
28、是大多数情况的一个合理折中。1.6 探测器和测量系统1. 6. 1 探头的辐照为了减少杂散光的影响，通过出射狭缝，在探测器位置上应只能观察到反射镜、透镜、棱镜或单色仪的光栅。如果还有二级光谱的问题，可用滤光器截止掉。探测器的表面应均匀的受到辐照，如果有必要的话，可以在探测器前加一个漫射器，该漫射器的相响应度应与辐照光束的微小移动无关。这样将减少光谱辐射计灵敏度的波动和避免探测器因小面积被强辐照而引起的损坏。如果信号太小，则应该去掉探测器前的漫射器，以提高信噪比。在这种情况下，应非常小心地控制人射光路的几何条件，以保证单色仪的输出光束对被测源和标准源是等同的。探测器的面积在满足上述条件下应尽量小
29、一些，因为探测器的热噪声与探测器面积的平方根成正比。除了常用的传导漫射器外，还有两种可用的漫射器类型:1) 一个内壁具有高漫反射比，外径与探测器表面外径一致的圆筒，它被放在两漫射镜中间，虽然有很大的光损失，但却是一个令人满意的解决方案。2) 一个小的积分球也是一个有效的漫射器，但是可能效率较低。其安装方式有两种，一种是垂直式，像在输入光路中那样;另一种是共轴式。在后一种情况下，应该在球的中心安装一块漫射板，以阻止有直接辐射到达探测器。如果漫射板表面对单色仪的出射狭缝的第一个漫射表面涂上能将紫外辐射(大多数积分球喷涂的材料对紫外辐射的反射比通常很低)转化为可见光，那么该装置的紫外效率就与上述第一
30、种圆筒式漫射器相近了。1. 6. 2 探头的特性和电气操作1. 6. 2. 1 光电倍增管光电倍增管因为其很高的响应度以及良好的信噪比而经常被应用。阴极类型的选择取决于所需测量的光谱范围和信噪比。在较长波长处具有高响应度的阴极，往往热发射较高，即热噪声较大，因此应尽量选择响应度刚好达到被测最大波长的光电倍增管。例如我们可以使用一个在可见光谱区没有元响应的uv灵敏阴极的光电倍增管来做紫外辐射的测量，以获得良好的信噪比。如果要求在紫外和可见光谱区均能进行测量，通常选&-20型或增红感的&-20型阴极，并装有石英窗口的光电倍增管作为探测器。对于700nm以上波段的测量，应该选用对红光灵敏高的光电倍增
31、管，因为这种类型的倍增管单个之间存在着较大的差异。除了在光电阴极和第一打拿极之间使用较大的电阻，或期间在最后一个打拿极和阳极之间使用齐纳二极管之外，其余打拿极之间均应使用阻值近似相同的电阻连接起来。这种接法可在供电电压较低时，也能保证光电倍增管有良好的线性。此外，打拿极之间的电压分配也可影响光电倍增管的线性。光电倍增管打拿极的数量取决于被测量的辐射照度的最大值和最小值及光学系统的容许能力。尽管某些仪器成功地使用了14个打拿极的光电倍增管，但通常10或11个就足够了。光电倍增管的疲劳特性和非线性均受信号强弱的影响，要注意的是不要让光电倍增管的阳极电流超过推荐的最大值。按照所用光电倍增管类型的不同
32、，其阳极电流可在10-6A到10-8A范围内变化。光电倍增管各极供电的电阻链中的电流比所允许的阳极电流要高很多，通常为10-3A到10-4A。最佳工作状态下的测量顺序取决于所用光电倍增管的类型和所允许的最大阳极电流。通常对光电阴极的辐照时间尽可能短，以减少疲劳。应找出最佳信噪比和疲劳特性所引人的被认为是噪音的系统误差。在打拿极供电电阻链的最后几个电阻上并联电容的办法，对于保持打拿极电压稳定和避免脉冲信号驱使倍增管进入非线性工作状态，有时效果是很好的。光电倍增管的噪音电流是白噪音，仅在最低频率下，在倍增管暗电流水平下发生偏移，因此信噪比随测量时间平方根增加。探测器电路的时间常数或信号积分时间的选
33、取，应使在信号电流最低的光谱7 GB/T 26179-2010/CIE 63-1984 范围仍能达到所需要的测量精确度。应对光电倍增管的暗电流加以补偿，办法是测量暗电流并从探测器输出信号中扣除，或通过探测系统电器调整的调零来实现。最好在光电倍增管上一直施加工作电压，至少是中等电压，以使管内的温度，电荷和分子的分布达到稳定。这样光电倍增管的响应度也会相应稳定。典型光电倍增响应度的温度系数为1X 10-3 5 X 10-3/ oC的数量级，因此测量时温度应控制在土1oC或更严的温度范围内。9558型光电倍增管的温度系数大约为2X 10-3/ oC。温度系数还与波长有关，对某些有长波响应增益的光电倍
34、增管在长波长截止区，其温度系数值可能很大。打拿极电阻链能提供阳极由于太大的阴极照射导致的电流过载的保护，但最好还是避免过强的辐照，尤其是过长时间的辐照，否则光电倍增管很可能出现永久性损坏或至少需要很长时间才能恢复。把辐照漫射到整个光电阴极区是一个很好的方法(见1.6. 1)。如果辐照区很小，可能引起管子永久性损坏或表面响应度的不均匀性，并导致因杂散光内反射增加系统误差或引起测量结果的变化。在测量或比对期间内，辐照条件应保持恒定。挑选光电倍增管的电源的主要标准是稳定性好，谐波成分和噪声量小，以及足够的控制设置。在测量进行期间，不允许光电倍增管打拿极各极上的高电压值有变化，否则会极大地降低测量的准
35、确度。典型的一个十级光电倍增管增益按电压的七次方而变，因此如果方法是整个光谱区测完参考灯再测被测灯的话，应要求供电电压稳定在每小时变化不超过土0.005%。如果测量方法是采用逐个波长进行比较测量的话，电源的长时间稳定性就不要求那么严格了。这个问题当然与随后用于测量阳极电流的电子仪器的性能有关=如果低级的电子仪器采用低级的信号处理电子元件，那么提供一个昂贵的优质高电压电源也就毫无意义了。应在实际的测量中考察探测器系统的稳定性，同时也要对其非线性作检测，如果非线性过大，则应该相应的修正。检查线性的基本方法是叠加法(Clarke，1972和Sanders，1972)，该方法可以利用一个单独的固定漫射
36、器轻松的实现。其方法是先用两个不同的光源分别辐照，测出读数后，在两光源同时辐照时再测出第三次的读数，它应对应于前两次读数的和。只要进行一系列这种测量，对整个读数范围即可提供一个响应度线性的系统性检查。这种检查应对整个探测系统开展，包括在相同的正常情况下工作的从光电倍增管到读数电子仪器。在某些光电倍增管中可以观察到小而恒定的依赖于波长的非线性，这往往是由于阴极到第一个打拿极之间的聚焦误差引起的，特别是在两电极间的电压太低的情况下较为明显。因此也应考察线性随光谱的变化。另一方面非线性也取决于供电电压，所以线性检查也应在实际的使用电压下进行。变化着的磁场，如附近电机产生的磁场，也可以影响光电倍增管的
37、增益。检查电机磁场影响的简单方法是在探测器受连续的、非零的辐照时关掉和接通电机电源，观察输出是否恒定。如果相应值有变化并且不可以忽略，则应把磁场源移到更远的位置。但无论如何，光电倍增管本身应加磁屏蔽外罩。1. 6. 2. 2 硅光电池对200nm到900nm的波长范围，一个高质量，紫外增感的，工作于光-电压方式的，带有优质运算放大器的硅光二极管就是一个线性的探测器系统(Budde，1979)，但它的灵敏度显然不如上述的光电倍增管。在高于1100nm的红外区，发现了某些硅光二极管具有超线性现象(Schaeferet al. ，1977)。那就是随着辐照的增加，探测器的绝对响应度也增加，直到它的响
38、应开始饱和为止。这个问题可以通过选择为红外测量特殊设计的硅光二极管来避免，如一种敏YAG激光器能量测量(Geistet al. , 1980)。多个硅探测器的阵列系统是近年来发展起来的探测器系统。通常将光谱成像在这种探测器阵列的表面，这样就可通过电子开关使光谱信号(在约几毫秒的时间)迅速被扫描测量。这就提供了对脉冲或迅速变化光源进行光谱测量的可能性，但是就像工作在同一方式下的电视摄像管一样，因探测器元件之间的空隙和元件本身响应度的非均匀性都会给测量带来一些问题。GB/T 26179-2010/CIE 63一19841. 6. 2. 3 红外探头有几种可用于近红外光谱区的探测器，带有5-1型或I
39、nGaAsP型阴极的光电倍增管，光导元件(大多为硫化铅PbS)以及硅或碑化嫁光电器件。S-l型阴极光电倍增管在室温显示出了过量的热离子暗电流，因此它们最好工作在低温下;通常一70.C才是有效的。已经被证实的是随着温度的升高，这些管子的长波响应度会变坏。工作前首先应冷却这类光电倍增管，只有当管子充分冷却后，才能接通光电倍增管的工作电压。具有InGaAsP型或上述材料相关化合物阴极的光电倍增管中的某些型号，其响应度可延伸到1100 nm甚至1400nm的波长。尽管许多制造厂仍在继续改进其性能，但是这类光电倍增管还是容易损坏，昂贵并且使用困难。它不仅要工作在低温以减少暗电流，而且如果任何时候温度上升
40、到0C左右，即使当管子处于运输或贮存过程中时，也可能永久性的损坏其阴极。通常用装有干冰(固体COz)的特殊容器来运输。对于这种类型的管子应严格遵守制造厂提出的有关使用和储存的条件。尽管硅光电二极管的灵敏度比光电倍增管低，但是一个合格的硅光二极管配上一个性能良好的运算放大器(见1.6. 2. 2) ，就可很好地在波长达到1100nm的范围内进行光谱测量，这类硅光电二极管探测器既耐用，操作起来也方便。对波长大于800nm的光谱测量，PbS探测器可在组合中使用辐射斩波器、交流放大器及相敏探测器。光电倍增管也可与斩波器，交流放大器和相敏探测器联用，但电流积分或直流技术，不管有没有暗电流自动补偿，它们在
41、大多数情况下都是同样有用的。无论对以上两种情况的哪一种，都应注意线性，稳定性及漂移问题。1. 7 标准光源测量中使用的标准光源可以是温度己知的黑体炉，一个鸽丝灯或放电灯，只要它们有己知的可复现的光谱能量分布均可采用。通常选择鸽丝灯作为标准源，因为它使用方便，易控制且长期稳定性好。校准过的光源可以从许多国家标准实验室得到校准值，可以溯源到普朗克辐射体的己知温度或其他一些基准，例如同步辐射加速或稳定的电弧。关于灯操作的细节见本标准的第2章。最好每一类型的标准源有至少三支，以便能进行交叉检查来确定性能随时间的飘移，或因偶然因素引起的量值的突然变化。为保持稳定，间隔时间进行定期再校准是很有必要的。在条
42、件许可的情况下，尽可能使用与被测光源同型号的可靠的标准源，这样的比较测量可以消除许多的系统误差，是很有好处的。1. 8 测量方法1.8. 1 测量顺序一个光谱辐射度计经常被用来比较两个光源，其中一个是已知光谱能量分布的标准或参考光源，这个光源可以看成是用来校准设备的响应的。另一个是被测光源，它的光谱能量分布是未知的，但是它的一般形式是己知的，这是需要测量的。两个光源会用比较法进行测量，根据系统的接受情况它们可以被同时或依次进行操作。两个步骤的区别如下:1) 每个光源被依次测量，设备对它们的响应表现在对光谱的测量。标准光源通常被最先测量，然后是一个或多个被测光源。最后还要测第二个标准光源或复测第
43、一个标准光源来检查系统的飘移。设备通过光谱对于两个不同种类光源的响应将被比较。通过这种安排，标准光源的使用被控制在最低限度但是精度就取决于测量系统的光谱特性(单色仪透投射比和探头响应值)在整个测量过程中保持不变。2) 两个光源被同时测量，在光谱的每个波长进行比较。参考光源本身可以是一个标准光源，或者，更多情况是经常被标准光源校准的光源，可能一天两次或三次。如果使用这种方法，参考光源要长时间的工作，飘移会成为一个问题。9 GB/T 26179-2010/CIE 63一19841. 8. 2 光谱能量测量的目的光谱能量分布的信息表示方法取决于光谱的复杂性和光谱信息的需求目的。光谱能量分布这个术语，
44、指的是一个有光学辐射的源，被定义为辐射能量的光谱集合，作为波长的函数。辐射能量的光谱集合是给定波长任一边无穷小范围内的辐射能量除以该范围的商。这个定义就意味着需要为无穷窄的波带确定P.(.)的值。光谱测量经常是需要的，但是并不是以它本身作为目标，而是用来运用计算辐射度，光度或色度的量。这些加权的量来自对于光谱数据的求和或积分的过程，单个的信息点，即使它们可能表现为不同形式的曲线，这个过程事实上被当作好象它们形成了一个柱状图。在这种情况下，我们需要的并不是能量P.()的光谱集合的特殊波长的一系列值，而是需要测量能量P.() d/ J趴在需要的光谱范围内一系列连续波长带的平均值。需要的分辨率，即柱
45、状图的波长间隔，取决于光谱的复杂程度和使用加权函数的性质。1. 8. 3 带宽基于上述观点，光谱能量P()的定义涉及一个无限窄的波带，事实上任何实际的单色仪出射的光谱都是很有限的窄带。对于给定的波长人，单色仪的透射比是，和入射辐射波长A的函数。这个函数T(，)的曲线见图4，即我们所知道的狭缝函数。它的正常情况为梯形，中心位置为人，两边逐渐为0。如果单色仪的有效入射和出射狭缝相等的话，那么梯形就会变成三角形。在实际的设备中情况下，画数的转角会在某种程度上变得圆滑，这是因为衍射和散射辐射的影响。狭缝函数的两个半峰值高度点的波长宽度就是单色仪在人披长处的带宽。不能假设所有的波长都是相同的，特别是在单
46、色仪中加有光学棱镜的情况下，但是一个好的单色仪的带宽随波长变化应该是很慢的。这里所定义的狭缝函数需要一个接近于单色辐射的辐射源，它的辐射波长在单色仪透射率不为0的波长范围内连续变化。可调谐激光器可以作为这种光源，但是这种设备太昂贵而且经常是不太好利用。基于这种原因，现实中经常利用固定波长的线状光谱，同时调节单色仪的披长设置来进行测量。得到的相似函数被近似认为是单色仪的狭缝函数。如果仪器的几何参数、色散、衍射和吸收等恒定或在相关的波长范围内变化很小时，那么上述的狭缝函数认为不应该导致严重的错误。这些应进行检查，有些光栅单色仪在这些方面不是很令人满意。因为测量是在这个光谱辐射度测量系统中进行的，所
47、以上述的所有限制同样适用于系统所使用的探测器的光谱响应度。关于这方面的全面分析，见附录A和美国国家局出版的光辐射测量自学手册)(Kostkowski , 1979)。10 T(，) 一一-一-一-T(.，) 一二十一一-k一一一一_ O.5T(.,.,) S A 图4设定波长为人时单色仪的透射比函数T(，J。该曲线称为狭缝函数。GB/T 26179-20 1 O/CIE 63一19841. 8. 4 光谱采样1.8.4. 1 连续光源鸽丝灯(包括卤鸽灯)类的光源都有相对平滑的连续光谱，光源的P()随波长变化的很缓慢。这种光谱用波长间隔10nm来进行测量就可以充分的体现出来。在单色仪的每个设定波长下，被测光源的光谱能量分布与参考光源的光谱能量分布的比值由探测器的响应比值给出。如果单色仪带宽不比测量间距明显的大，它的实际值是不太重要的。如果单色仪被一系列的窄带宽的滤光器所代替来隔离个别波段，也可以得到近乎相同的结果。使用滤光器的主要缺点是，当探测器的响应值超过大部分的辐射光谱时，滤光器不能充分的滤掉波长在通带以外的辐射。
