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GB/T28208-2011脉冲光辐射源光谱辐射测量方法1范围本标准规定了脉冲光辐射源的光谱辐射特性和瞬态光谱特性的测量方法,本标准适用于LED、照相机的电子闪光单元、飞机和紧急交通工具的信号灯、影印机、色度计和脉冲发光显示器等脉冲光辐射源。本标准不适用于脉冲激光辐射的测量。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。CIEl7.4一l987国际照明词汇(International Lighting Vocabulary)CIE59一l986偏振:定义和术语,仪器偏振(Polarization:Definition and nomenclature,instrument polarization)CIE63-l984光源的光谱辐射测量(The spectroradiometric of light sources),术和定CIE17.4一1987中界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1多色仪polychromator一种能将复合光色散为多个单色光谱辐射,并聚焦于多通道探测器的光学装置。3.2阵列探测器array detector一种探测器元件的物理排列组合,能够接收和探测多色仪的输出。在某些情况下,其他光学元件可以是阵列的一部分,例如将光辐射耦合到阵列探测器的光纤面板。3.3像素pixel阵列探测器或显示元件中的最小单元,是一个独立的传感器或显示元件。注:在本标准中,像素是阵列探测器中的最小单元.3.4有效闪光持续时间effective flash duration(to.s)闪光强度自上升至其峰值强度一半到下降至其峰值强度一半之间的时间间隔。3.5总闪光持续时间total flash duration(to.,)闪光强度自上升至其峰值强度的10%到衰减至其峰值强度的10%之间的时间间隔。3.6动态范围dynamic range系统或元件的给定最大信号容量水平与其噪声水平的比值。动态范围可用1:10(x是一个正理强Z1
GB/T28208-2011数)、分贝或比特来表示。3.7时间分解测量time resolved measurement在给定的持续时间内,以短时间间隔测量辐射度量的方法。3.8时间积分测量time integrated measurement时间分解测量对时间的积分。4测量方法应使用阵列型光谱辐射计测量脉冲光辐射源的光谱辐射,见附录C。测量前应该对阵列型光谱辐射计进行波长定标和线性检查(参见6.2波长定标和6.4非线性)。应使用标准光源定标光谱辐射计系统。必须保证标准光源的校准数据溯源于国家计量标准。测量准确度取决于测量系统(多色仪和探测器)在整个测量周期内保持充分稳定的程度。测定脉冲光源的光谱时,依次点亮标准光源和待测光源,并在光谱范围内测量仪器对光源的响应,通常先测量标准光源,再测量一个或多个待测光源。结束测量步骤时,应该测量另一个标准光源或者重复测量第一个标准光源以检查系统的漂移。然后比较仪器在光谱范围内对标准光源和被测光源的响应。如果待测的不是相对光谱功率而是绝对光谱能量时,应对非脉冲标准光源进行时间归一化,因此必须知道探测器/数据获取系统的积分时间(输入信号被积分的有效时间)。标准光源产生的有效光谱辐射能量Q可以通过式)得到小凡系个小闪∠.∠○U.NQ=p,·t式中:①.一标准光源的光谱辐射功率,焦尔每纳米(J·nm1):t一阵列探测器/数据获取系统的积分时间,单位为秒(s)。注:因为标准光源输出连续的光谱辐射功率(单位:W·m'),而脉冲光源的每一个脉冲发出一定量的光谱辐射能量(单位:J·m-),所以在绝对测量中必须解决单位上的差异。因为1W=1J·s',所以两单位的差异仅与时间有关。测量中,应通过设置来获取最佳信号幅度,以便在阵列探测器中的任一像素不出现饱和的情况下,尽可能地获取较强的信号。因为信噪比会随着测量次数的平方根而提高,可以通过多次测量求平均的方式改善信噪比。阵列型光谱仪宜具有用户自设置积分时间功能,用来优化标准光源信号。注:阵列型光谱辐射计的信噪比取决于A/D转换器的分辨率、探测器温度、背景信号水平和多色仪的输出量。在波长较短的区域,探测器的光谱响应度较低,用作标准光源的白炽钨丝灯的光谱输出也较低,对信噪比影响较大。5测量设备5.1阵列型光谱辐射计系统的基本要素5.1.1概述如图1所示,阵列型光谱辐射计系统由下列几个要素组成:一输人光学系统:多色仪和阵列探测器;数据获取系统(测量探测器输出量的电子部分和数据处理系统)。2理时Z.ZC.E1
GB/T28208-2011女光湖漫射板图4使用漫反射板作为光谱辐照度测量的光学输入系统5.1.3多色仪多色仪可采用棱镜或光栅作为分光元件。使用光栅多色仪时,应使用截止滤色片滤除二级及以上衍射辐射注:使用截止滤色片将使测量范围严格受限,单次测量中最大可测波长必须小于最短波长的两倍,例如,当滤色片不允许波长比可测最短波长还小的辐射通过时,单次测量的波长范围可能是350nm~700nm或380nm~760nm。如果在单次脉冲中,测量波长跨度超过1:2,可使用波长测量范围不同的两个或多个多色仪,此时必须将人射光分为两束,分别进人两车多色仪,或者可在一个多色仪中使用两列探测器,每一列前放置不同的滤色片。还可在多色仪的单个阵列探测器前设置一个连续的契形干涉滤色片。为避免测量误差,截止滤色片应不发射荧光且具有优良的光学品质,即无气泡、条纹和其他瑕疵。5.1.4阵列探测器阵列探测器具有两种基本类型:离散型和集成型,详见附录D。对于离散型阵列探测器,像素的数目应是(m/n)+1或更多,其中m是波长区域,n是所需的波长间隔。理想状态下,两个独立的像素之间无间隙,以便阵列探测器能够在其可探测的整个波长区间上接收包括任意谱线在内的所有辐射在离散型和集成型两种阵列型探测器中,每一个像素都应具备良好的频率响应、线性,并且阵列中所有像素点的辐射度特性宜一致。对于瞬态光谱的测量,如果分辨率要达到104s,频率响应必须超过1MHz。为减小背景噪声,可使用冷却水循环和/(或)珀耳帖制冷器等来冷却探测器。注:在这种情况下,除非控制探测器周围的湿度,否则冷凝是一个严重问题,所以有些探测器在真空中工作,而有些探测器需要用干燥的氨气不断换气。5.1.5数据获取系统5.1.5.1概述数据获取系统主要是系统内的放大器和信号转换器。5.1.5.2采样和保持放大器(S/H放大器)放大器的采集时间、缝隙时间和缝隙延迟时间必须短。可参考下列典型值:—采集时间:小于200ns;罚素村网Z.ZS沁
GB/T28208-2011缝隙时间:小于2ns;缝隙延迟时间:小于5ns。5.1.5.3模数转换器A/D转换器的转换时间必须短。一种称为“快闪式”的特殊转换器尤其适合目前的应用。注:分辨率和转换时间通常逆相关:因此选择A/D转换器时,需要折中考虑分辨率和转换时间。在A/D转换器引起的测量误差中,非线性因素最重要,因为在脉冲辐射测量中,几乎不可能补偿线性误差。另一个重要的误差因素是温度变化引起的放大器增益漂移和补偿电压漂移,可使用热电控制器减小温度变化。5.2光谱辐射计的其他性能要求5.2.1入射狭缝和探测器布置使用棱镜多色仪应注意带宽随波长的变化:波长越大,在给定狭缝下的带宽越宽。一个适宜的解决方法是随波长不同而改变像素宽度。使用光栅多色仪时应注意:尽管在小角度偏离范围内,光辐射的色散充分稳定,但在波长区间的两端,如从350nm~700nm,带宽会有所变化。5.2.2动态范围光谱辐射计的动态范围取决于所用探测器和A/D转换器。6剥不装堂筑J.NE可6.1杂散辐射可使用白炽钨丝灯和设置在多色仪入射狭缝前的多个锐截止型滤色片来确定杂散辐射。滤色片应在波长截止点以上到约3000m的范围内透射,而在波长截止点以下部分强烈吸收。仪器在截止区域上记录到的任何信号都是波长大于截止波长的杂散辐射。可采用截止波长均匀分布的一组滤色片来确定光谱范围内的杂散光特性。注1:理想情况下,阵列探测器中的每一个像素仅接收一定窄带宽的单色辐射,带宽由多色仪的色散和像素本身的间隔和大小决定。而实际上,可能存在其他波长的杂散辐射,在光谱的蓝光和紫外区域,由于光源的输出和探测器的灵敏度相对较小,杂散辐射问题尤其突出。在这种情况下,来自长被部分的即使很少量的杂散辐射,都会对输出信号起到明显的作用。注2:可从某些专业的光学滤色片制造商处获取截止波长在300nm~700nm的光谱范围内间隔排列的适宜的滤色片组合。注3:多色仪的设计不好通常会引起极大的杂散辐射,且几乎无法补偿。6.2波长定标仪器投入使用前必须进行波长刻度的定标。所需波长准确度取决于具体应用。温度可能影响波长定标,如果仪器不在温控环境中,应检查温度对波长定标的影响。在进行多色仪波长刻度定标前,应将仪器调节至最大光谱分辨率。可使用一个或多个激发谱线精确可知的低压光谱灯进行定标。低压汞灯可提供多条有用谱线。注:在波长定标过程中,暂时移走所有的截止滤色片将用到一级和二级的衍射线,由此在原始谱线的波长二倍处产生额外的参考点。谱线的输出信号是原始谱线强度、光栅效率和探测器的光谱响应度的函数。一般两条充分分开的光谱线足以定标光栅多色仪的波长刻度。但在实际情况中,由于光谱散射的興尚理Z1T
GB/T28208-2011线性并不理想,所以应使用其他谱线进行检验。用户可通过一系列在光谱范围内间隔分布的谱线来修正波长偏差。如使用曲线拟合方法来表示波长和刻度读数之间的关系,应尽可能采用低阶方程,以免高阶方程可能导致的严重误差。所测定标谱线的数量宜超过方程阶数的3倍或4倍。57?nm和579nm汞双线的双谱线可用于检验光谱辐射计系统的分辨率。6.3偏振误差多色仪的透射特性依赖于人射光的偏振,由于定标光源和待测未知光源在辐射偏振特性上常常存在较大差异,从而引起误差。推荐将入射光路中的积分球或漫射板作为消偏振器以诚小因偏振引起的误差。关于偏振的更多信息可参阅CIE59-1986。6.4非线性在像素未饱和情况下,大多数二极管阵列探测器在给定波长的输人功率与对应像素的输出信号之间呈线性关系。必须确定使系统为线性时入射辐射功率的范围,且注意使用时不应超过该范围。6.5暗电流暗电流可能会在输出信号中占到很大比重,尤其是当人射辐射功率较低时。应测量暗电流且将其从信号读数中减去。降夜欢以兴泽是集标系生有在熟:NE丁温度噪声;一复位(读取)噪声注:某些商用仪器能自动执行去暗电流过程。集成型阵列探测器所采用的扫描结构的类型决定了系统中存在的噪声大小和类型。7测量结果的表述宜用一系列以整数波长为中心的等间距的数据来表示光谱功率测量结果。示例:—间隔1nm:400,401,402,403,404,…—间隔5nm:400,405,410,415,420,…—间隔10nm:400,410,420,430,440,注:通常采用简单的算法来进行带间的功率修正,尽管这可能会增大测量的不确定度。某些商用系统可以自动执行修正过程。对于包括白光光源在内的大多数应用场合,5nm的带宽和波长间隔可提供足够的分辨率。可用图像来表示光谱功率的测量结果,见附录E。无论采用何种表示形式,应采用适宜的SI单位来表示测量结果以保持统一。6理强Z.
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