CN106770050A - 基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光辐射测量领域技术领域，具体为基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置。该装置由两个积分球组成，分别用于测量光谱散射系数和光谱透射系数，测量装置的光轴通过两个积分球的直径。在光谱散射系数测量积分球位于同一条直径的两侧端设置有进光孔和出光孔，进光孔和出光孔之间形成光路通道；所述进光孔连通存有待测液体的吸收池；两个积分球内壁的涂层材料为理想的漫反射材料，在可见光谱范围内的光谱反射率接近100%。测量仪器采用光谱照度计；光源采用卤钨灯产生的连续谱平行光，以获得可见光波长范围内的各波长处的衰减情况。

Description

基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置
技术领域
本发明属于光辐射测量技术领域，具体涉及基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置。
背景技术
随着技术的进步，科学工作者们慢慢把目光投向海洋，近年来光学与水的关系比以往更加紧密。人们通过水下摄影来认识海洋，从生物多样性的探索到海洋油气资源的探测都有水下摄影的应用。新近发展的水下光通信也与水下光学紧密相关。但是影响水下摄影成像质量的最大问题就是水体对光的吸收和散射作用。同时由于不同位置、不同深度的水体对光的吸收和散射作用也不尽相同，需要有一种简单、快速的测量装置。
CN 102608037.A提出了在外壳内装满待测水体，并通过在其中设置成像系统、光学照明系统和目标物。成像系统利用漫反射、黑白对比目标物的反射光成像，跟据反射光强度做数据处理计算出待测水样对光的衰减系数。但在这种装置中，外壳内的成像系统、光学照明系统和目标物都直接暴露在待测水体中，海水的腐蚀作用将对装置的寿命造成影响。进一步来说，由于外壳不可拆卸和出水孔的设置问题，做新的测试时很难彻底更新水样，从而为测量结果带来难以消除的误差。
CN 204462014.U在此基础上除了改进。采用水密接插件将待测水体控制在安全区域内而不直接接触装置的其他部分。该测量设备采取水体所在凹槽垂直的平面内设置反光镜和凸透镜的方法，在光强探测阵列上得到个角度的散射光强值，可以较为精准地测量浊度。但是这种测量方法的零部件复杂，并且利用凹透镜聚焦的方法对于设备的制造精度要求很高，使得测量设备的成本居高不下，普及度将受到影响。另外，这种装置只能测量散射系数，缺少透射系数的测量模块。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、成本低，基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置。在测量水体对光的透射和散射作用的同时，避免器件老化，降低设备成本。
本发明提供的基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置，采用积分球为基础进行液体光谱透射和散射系数的测量。该装置由两个积分球组成，其中，一个积分球用于测量光谱散射系数；另一积分球用于测量光谱透射系数；测量装置的光轴通过两个积分球的直径；在光谱散射系数测量积分球位于一条直径的两侧端设置有进光孔和出光孔，进光孔和出光孔之间形成光路通道；在该直径上设置有用于存放待测液体的吸收池，在吸收池的垂直方向上设置有第一光谱照度计，用于测量散射光的光谱功率分布。
所述光谱散射系数测量进光孔连通吸收池；光谱散射系数积分球出光孔正对光谱透射系数测量积分球入光口；入光孔正对的垂直位置上安置有第二光谱照度计，用于测量透射光的光谱功率分布。
在光谱散射系数测量积分球中，在测量散射光光谱的第一光谱照度计与吸收池之间设置有第一挡屏，该第一挡屏长度能够恰好滤除直接散射光。
在光谱透射系数测量积分球中，在出光孔与光谱照度计之间设置有第二挡屏，该第二挡屏用于滤除直接透射光。
吸收池为柱形，存满待测液体，长度控制在球的直径以内。吸收池选用小直径、薄管壁的高透光率材料，以减少柱体对积分球反射光的吸收。
测量用两积分球内壁涂层材料可采用理想的漫反射材料，在可见光谱范围内的光谱反射率接近100%。
测量仪器采用光谱照度计，获得光谱功率分布和视见函数的卷积，更加符合人眼所见的光衰减情况。
利用卤钨灯或氙灯产生的连续谱平行光作为窄光束的来源，能够获得可见光波长范围内的各波长在液体中的衰减情况。
附图说明
图1为本发明测量装置结构图。
图中标号：1—平行光；2—光谱散射系数积分球；3—光谱透射系数积分球；4—光路通道；5—第一挡屏1；6—第二挡屏2；7—第一光谱照度计；8—第二光谱照度计。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明的基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置，包含位于积分球同一条直径两侧的进光孔和出光孔，该直径上的吸收池，以及直径垂直方向上能够恰好滤除直接散射光的挡屏。测量装置包含在吸收池垂直方向的测量散射光光谱的第一光谱照度计和出光孔正对的垂直位置上的测量透射光光谱的第二光谱照度计，如图1所示。光谱散射系数测量及光谱透射系数测量均采用直径1 m的积分球。吸收池外壁采用高透过率的石英管材料，石英管直径5 cm，管壁厚度5 mm，长度1 m。窄光束平行光由35 W GU10反射灯杯式卤钨灯提供。挡板采用氧化镁涂层以减少对散射光的吸收。
以海水透射系数和散射系数的测量为例，测量分两步。第一步吸收池石英管内不充海水，开启窄光束平行光源，记录两个积分球内的光谱照度计的测得的光谱功率分布初始值，其中光谱散射系数积分球的光谱辐照度为E 10(λ )，光谱透射系数积分球的光谱辐照度为E 20(λ )。第二步，吸收池内充满海水，开启窄光束平行光源，光谱散射系数积分球的光谱辐照度为E 11(λ )，光谱透射系数积分球的光谱辐照度为E 21(λ )。则光谱散射系数为
S (λ ) = [E 11(λ ) −E 10(λ )]/[E 10(λ ) + E 20(λ )]，
光谱透射系数为
T (λ ) = E 21(λ )/[E 10(λ ) + E 20(λ )]。

Claims (6)

1.一种基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置，其特征在于，由两个积分球组成，其中，一个积分球用于测量光谱散射系数；另一积分球用于测量光谱透射系数；光轴通过两个积分球的直径；在光谱散射系数测量积分球位于同一条直径的两侧端设置有进光孔和出光孔，进光孔和出光孔之间形成光路通道；在该直径上设置有用于存放待测液体的吸收池，在吸收池的垂直方向上设置有第一光谱照度计，用于测量散射光的光谱功率分布；
所述光谱散射系数测量进光孔连通吸收池；光谱散射系数积分球出光孔正对光谱透射系数测量积分球入光口；入光孔正对的垂直位置上安置有第二光谱照度计，用于测量透射光的光谱功率分布。
2.根据权利要求1所述的基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置，其特征在于，在光谱散射系数测量积分球中，在测量散射光光谱的第一光谱照度计与吸收池之间设置有挡屏，该挡屏长度能够恰好滤除直接散射光。
3.根据权利要求1所述的基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置，其特征在于，在光谱透射系数测量积分球中，在出光孔与光谱照度计之间设置有第二挡屏，该第二挡屏用于滤除直接透射光。
4.根据权利要求1所述的基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置，其特征在于，所述吸收池为柱形，存满待测液体，长度控制在球的直径以内；吸收池采用小直径、薄管壁的高透光率材料。
5.根据权利要求1所述的基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置，其特征在于，测量用两积分球内壁涂层材料采用漫反射材料，在可见光谱范围内的光谱反射率接近100%。
6.根据权利要求1所述的基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置，其特征在于，采用卤钨灯或氙灯产生的连续谱平行光作为窄光束的来源，以获得可见光波长范围内的各波长在液体中的衰减情况。
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