CN103604496B - 双积分球功率计响应不一致性标定方法 - Google Patents

Abstract

一种双积分球功率计响应不一致性的标定方法，包括：1）构建实际双光路测试系统；2）将第一积分球以及第二积分球分别置于双光路测试系统中，并求解双光路测试系统的取样系数，定义该双光路测试系统的取样系数是前次取样系数；3）将第一积分球与第二积分球的位置互换后分别置于双光路测试系统中，并再次求解双光路测试系统的取样系数，定义该双光路测试系统的取样系数是后次取样系数；4）由前次取样系数的值以及后次取样系数的值推导并求解出双光路测试系统的实际强度取样系数；5）双光路测试系统的实际强度取样系数求解双积分球功率计的响应不一致性修正系数。本发明具有不需要额外增加标定器具以及标定结果准确的优点。

Description

双积分球功率计响应不一致性标定方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种双积分球功率计响应不一致性的标定方法。

背景技术

积分球功率计是进行光强探测的重要器件，尤其涉及双光路强度相对测量的情况，例如分光光度计中、在光学元件透反率及取样率的测量，而在这些测量中，通常采用积分球功率计作为测量传感器，积分球功率计由积分球加光电探测器组成，在设计和选型时，双光路是一致的。但实际中，由于积分球的制造误差（例如球径的误差和涂层的反射率误差）及探测器本身的响应误差，致使设计相同的两个积分球功率计存在实际差异，引起响应不一致性误差，从而给光强相对测量带来误差。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种不需要额外增加标定器具以及标定结果准确的双积分球功率计响应不一致性标定方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种双积分球功率计响应不一致性标定方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1）构建实际双光路测试系统；

2）将第一积分球以及第二积分球分别置于双光路测试系统中，并求解双光路测试系统的取样系数，定义该双光路测试系统的取样系数是前次取样系数；

3）将第一积分球与第二积分球的位置互换后分别置于双光路测试系统中，并再次求解双光路测试系统的取样系数，定义该双光路测试系统的取样系数是后次取样系数；

4）由前次取样系数的值以及后次取样系数的值推导并求解出双光路测试系统的实际强度取样系数；

5）根据步骤4）所得到的双光路测试系统的实际强度取样系数求解双积分球功率计的响应不一致性修正系数。

本发明具有以下优点：

本发明以一取样光栅分光系数测量系统为例构建实际双光路测试系统，将第一积分球功率计和第二积分球功率计分别置于双光路中，求解光路的取样系数；然后将两者位置互换，再次求解光路取样系数，由这两次的取样系数值可以推导求解出光路的实际强度取样系数，进而可以求解出双积分球功率计的响应不一致性修正系数。本发明采用将两个积分球功率计位置互换的方法分别测量光路的强度取样系数；通过分析证明光路取样系数“真值”和两个积分球功率计位置互换前后的取样系数存在数学关系；由该数学关系可求得实际测量时两个积分球功率计之间的响应不一致性修正系数。该方法不需要额外增加标定器具，对光源功率的稳定性无特别要求，不需要更高精度的量值传递源；具有内在自恰性，标定结果准确。

附图说明

图1是可用于本发明所提供方法的取样光栅分光系数测量系统的结构示意图。

具体实施方式

1）入射平行激光经过透镜形成汇聚光束，投射在分光光栅上，经分光光栅衍射形成“零级”衍射汇聚光和“一级”衍射汇聚光，“零级”汇聚光经过表面不镀膜的两个取样镜注入第一积分球功率计，“一级”汇聚光直接注入第二积分球功率计；第一积分球功率计和第二积分球功率计设计是完全相同的，用以测量衍射取样效率（“一级”光强和“零级”光强的比值）。假设第一积分球功率计的输出为V₀，第二积分球功率计的输出为V₁，在线性工作区有：

V₀＝Ｋ₀×Ｉ₀+b₀   (1)

V₁＝K1×I₁+b₁   (2) 

取样效率可表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{I_1}{I_0}=\frac{(V_1-b_1)\×K_0}{(V_0-b_0)\×K_1}---\left(3\right)$

其中，K₀、K₁表示两个功率计的响应系数（理论上应相等）；I₀、I₁表示注入两个功率计的光强；b₀、b₁表示功率计的响应本底。实际上K₀、K₁之间必然存在一致性差异且并不可知，但若标定获得K₀/K₁则可以通过（3）式求得准确的取样效率，标定的目的即在于此。

2）在未开激光情况下，采集多次本底，平均得到积分球功率计的响应噪声本底b₀、b₁;

3）开激光进行采集得到多组输出，计算平均得到第一积分球功率计和1的输出分别为   并由下式计算得到取样效率η₁;

${\mathrm{\η}}_1=\frac{(V}{(V}---\left(4\right)$

4）将第一积分球功率计和1位置互换，开激光进行采集得到多组输出，计算平均得到并由下式计算得到位置互换后的取样效率η′₁；

${\mathrm{\η}}_1^{\′}=\frac{(V_0^1-b_0)}{(V_1^0-b_1)}---\left(5\right)$

5）计算光路的“真实“取样效率：

a)将（4）式和（5）式相乘； 

${\mathrm{\η}}_1\×{\mathrm{\η}}_1^{\′}=\frac{(V_1^1-b_1)}{(V_0^0-b_0)}\×\frac{(V_0^1-b_0)}{(V_1^0-b_1)}=\frac{(V_1^1-b_1)\×K_1}{(V_1^0-b_1)\×K_1}\×\frac{(V_0^1-b_0)\×K_0}{(V_0^0-b_0)\×K_0}=\frac{I_1}{I_0^{\′}}\×\frac{I_1^{\′}}{I_0}---\left(6\right)$

I₀表示注入光强为I时积分球0在零级位置的接收光强，I₁表示注入光强为I时积分球1在一级位置的接收光强；位置互换后，I′₀表示光源注入光强为I＇时积分球1在零级位置的接收光强，I′₁表示光源注入光强为I＇时积分球0在一级位置的接收光强。

b)以I₀为基准对(6)式进行归一化，则有：

I₁＝η×Ｉ₀，Ｉ′₀=K×Ｉ₀,Ｉ′_１＝Ｋ×η×Ｉ₀，其中η为BSG的取样效率,K为光源稳定性差异，将以上关系代入（6）式：

${\mathrm{\η}}_1{\×\mathrm{\η}}_1^{\′}=\frac{I_1}{I_0^{\′}}\×\frac{I_1^{\′}}{I_0}=\frac{\mathrm{\η}\×I_0}{K\×I_0}\×\frac{K\×\mathrm{\η}\×I_0}{I_0}={\mathrm{\η}}^2---\left(7\right)$

由（7）式关系可得到“真实”的取样效率η值，它只与位置互换前后的取样值有关系，与光源的稳定性无关。

6）计算双积分球功率计响应不一致性；

a)由(1)、（2）式得：

$\frac{(V_0^0-b_0)}{k_0}=\frac{(V_1^0-b_1)}{k_1}---\left(8\right)$

b)将(8)式代入（4）式得：

${\mathrm{\η}}_1=\frac{(V_1^1-b_1)}{(V_0^0-b_0)}=\frac{(V_1^1-b_1)\×k_0}{(V_1^0-b_1)\×k_1}=\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ϵ}}---\left(9\right)$

其中   代表了仅采用第二积分球功率计分别在零位位置和一级位置测量的比值，该结果不存在双积分球功率计的一致性误差，代表了光路的“真实”取样效率η，而（9）式中，ε＝k₁／k₀，表示了双积分球功率计的响应不一致性误差；

7）重复步骤2)～6)得到多组值，计算其平均作为最终双积分球功率计响应不一致性标定结果：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\ϵ}}_i}{n}---\left(10\right)$ 。

Claims (1)

1.一种双积分球功率计响应不一致性标定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)构建实际双光路测试系统；

2)将第一积分球功率计以及第二积分球功率计分别置于双光路测试系统中，并求解双光路测试系统的取样效率，定义该双光路测试系统的取样效率是前次取样效率：

所述第一积分球功率计以及第二积分球功率计完全相同；所述第一积分球功率计的输出为V₀，所述第二积分球功率计的输出为V₁，在线性工作区有：

V₀＝K₀×I₀+b₀   (1)

V₁＝K₁×I₁+b₁   (2)

则，该双光路测试系统的取样效率是：

$\mathrm{\η}=\frac{I_1}{I_0}=\frac{(V_1-b_1)\×K_0}{(V_0-b_0)\×K_1}---\left(3\right)$

其中：

K₀以及K₁分别表示第一积分球功率计以及第二积分球功率计的响应系数；

I₀以及I₁分别表示第一积分球功率计以及第二积分球功率计注入两个功率计的光强；

b₀以及b₁分别表示第一积分球功率计以及第二积分球功率计的响应本底；在未开激光情况下，采集多次本底，平均得到第一积分球功率计以及第二积分球功率计的响应噪声本底b₀、b₁；

开激光后进行采集得到多组输出，计算平均得到第一积分球功率计和第二积分球功率计的输出分别为并由下式计算得到取样效率η₁；

${\mathrm{\η}}_1=\frac{(v_1^1-b_1)}{(v_0^0-b_0)}---\left(4\right)$

3)将第一积分球功率计与第二积分球功率计的位置互换后分别置于双光路测试系统中，并再次求解双光路测试系统的取样效率，定义该双光路测试系统的取样效率是后次取样效率：

开激光后进行采集得到多组输出，计算平均得到第一积分球功率计和第二积分球功率计的输出分别为并由下式计算得到位置互换后的该双光路测试系统的取样效率η′₁；

${\mathrm{\η}}_1^{\′}=\frac{(V_0^1-b_0)}{(V_1^0-b_1)}---\left(5\right)$

4)由前次取样效率的值以及后次取样效率的值推导并求解出双光路测试系统的实际强度取样效率：

a)将上述公式(4)以及上述公式(5)相乘；

${\mathrm{\η}}_1\×{\mathrm{\η}}_1^{\′}=\frac{(V_1^1-b_1)}{(V_0^0-b_0)}\×\frac{(V_0^1-b_0)}{(V_1^0-b_1)}=\frac{(V_1^1-b_1)\×K_1}{(V_1^0-b_1)\×K_1}\×\frac{(V_0^1-b_0)\×K_0}{(V_0^0-b_0)\×K_0}=\frac{I_1}{I_0^{\′}}\×\frac{I_1^{\′}}{I_0}---\left(6\right)$

其中：

I₀表示注入光强为I时第一积分球功率计在零级位置的接收光强；

I₁表示注入光强为I时第二积分球功率计在一级位置的接收光强；

当位置互换后，

I′₀表示光源注入光强为I＇时第二积分球功率计在零级位置的接收光强；

I′₁表示光源注入光强为I＇时第一积分球功率计在一级位置的接收光强；

b)以I₀为基准对上述公式(6)进行归一化，则有：

I₁＝η×I₀，I′₀＝K×I₀，I′₁＝K×η×I₀；

其中：

η为BSG的取样效率；

K为光源稳定性差异，将以上关系代入公式(6)：

${\mathrm{\η}}_1\×{\mathrm{\η}}_1^{\′}=\frac{I_1}{I_0^{\′}}\×\frac{I_1^{\′}}{I_0}=\frac{\mathrm{\η}\×I_0}{K\×I_0}\×\frac{K\×\mathrm{\η}\×I_0}{I_0}={\mathrm{\η}}^2---\left(7\right)$

由(7)式关系得到双光路测试系统的实际强度取样效率η值；

5)根据步骤4)所得到的双光路测试系统的实际强度取样效率求解双积分球功率计的响应不一致性修正系数：

a)由上述公式(1)以及公式(2)得：

$\frac{(V_0^0-b_0)}{k_0}=\frac{(V_1^0-b_1)}{k_1}---\left(8\right)$

b)将公式(8)代入公式(4)得：

其中：

代表了仅采用第二积分球功率计分别在零位位置和一级位置测量的比值，该结果不存在双积分球功率计的一致性误差，代表了光路的真实取样效率η，而公式(9)式中，ε＝k₁/k₀表示了双积分球功率计的响应不一致性误差；

重复步骤2)～6)得到多组值，计算其平均作为最终双积分球功率计响应不一致性标定结果：