CN1657887A - 基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可见光波段新型基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法和装置。本发明以低温辐射计作为光辐射通量计量的初级基准，采用了基于光陷阱结构的多波段滤光片式辐亮度计，实现了低温绝对辐射计到Trap标准探测器的标准传递。本发明的多波段滤光片式辐亮度计结构紧凑、长期稳定性高，设计有精密恒温控制系统，可用于不同的环境温度中而测量精度不会降低，非常适合作为辐亮度的实验室基准加以长期保存或作为日常的工作标准加以使用，非常方便。可大大降低现有的辐亮度基准的不确定度，为辐射度学高精度计量基准的建立提供了一套全新的思路和方法。

Description

基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法和装置

技术领域

本发明属于辐射度学之光辐射精确计量技术领域，具体涉及一种新型基于标准探测器的高精度辐亮度探测基准的实现装置和方法。

背景技术

到目前为止，辐亮度基准的实现通常采用的都是基于辐射源的方法。采用这种方法的初级标准是建立在绝对黑体理论基础上，由普朗克定律确定的，在可见—短波红外波段的工作标准是各种不确定度级别的辐亮度标准灯。根据普朗克黑体辐射定律，在某一特定波长上黑体的出射光谱辐亮度与黑体的温度一一对应。现有辐亮度基准就是依据这个原理，通过精确测定黑体的温度来建立辐亮度基准的。因此，在现有的基于高温黑体(1500K～3200K)的辐亮度初级基准建立过程中，高温黑体温度的精确测定，是最主要的不确定因素。而事实上，高温黑体温度的测定，其技术难度较大，所需设备复杂，精度很难提高，因而现有的辐亮度初级基准，其绝对精度本身就不高，不确定度较大，约为1％～4％左右；经过多级标准传递，最终到达用户的工作标准，其绝对精度更差，不确定度达到5％～10％左右。由于现有的辐亮度工作标准精度本身不高，限制了市面上各种型号光谱辐亮度计测量精度的进一步提高，使光谱辐亮度的计量和测量水平目前处于一个较低的层次，严重束缚了那些对辐亮度测量指标精度要求较高的行业发展的需求。

发明内容

本发明的目的，在于发明了一种新型基于标准探测器的高精度辐亮度探测基准的实现方法和装置。辐射源的初级标准采用了当前世界上测量光辐射通量精度最高的装置——低温绝对辐射计，辐亮度的传递标准和工作标准都采用了基于硅陷阱探测器的滤光片式辐亮度计。该方法的精度远优于现有的基于辐射源法，且由于标准的传递链较短，因而可以大大减小标准传递过程中的不确定因素。

本发明发明了一套实现辐亮度探测基准的新型装置——多波段滤光片式辐亮度计。它采用了光陷阱结构的独特设计，体积小，重量轻，结构紧凑，操作简单，非常适合作为日常的辐亮度传递标准和工作标准使用。

一种可见光波段新型基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法，包括以下步骤：(1)、设计一个多波段滤光片式辐亮度计，该滤光片式辐亮度计实际上由三部分组成：圆筒形的光阑筒部分、Trap探测器部分和电路采集控制部分，(2)、在圆筒形的光阑筒内依次安装视场光阑、去除杂散光光阑、孔径光阑和窄带干涉滤光片，然后将该光阑筒安装在一箱体上，箱体靠近窄带干涉滤光片一侧安装有一个多面体结构的Trap骨架，Trap骨架的紧贴光阑筒的面上留有一个圆形的光入射孔，其余三个面每个面上分别固定有一个硅光电二极管，设定这三个面分别为底面，左侧面，右侧面，这三个面的位置关系为：光入射孔所在平面与底面垂面，右侧面与光入射孔所在平面成45度夹角，且右侧面与底面垂直，左侧面与底面成45度夹角，左侧面与光入射孔所在平面垂直，固定在Trap多面体骨架上的三个硅光电二极管在电路上采用并联连接方式，三个并联光电二极管所输出的光电流信号，经前放电路作I-V变化和放大，转变为电压信号，再经信号调理电路预处理后送入由单片机系统控制的A/D转换和信号处理单元部分，(3)、在(1)、(2)中所述的辐亮度计中的多面体结构Trap骨架及其后端的运放电路部分共同构成了一个光陷阱结构的Trap探测器；在可见光波段范围内选定几个波长激光，在各波长点上，利用低温绝对辐射计和HP34970A 6.5位数字电压表分别测量进入光陷阱结构Trap探测器的入射激光辐射通量和Trap探测器的输出电压信号，建立光陷阱结构Trap探测器在各个波长点上的输入光辐射通量和其输出电压之间的一一对应关系，通过内差和外推，计算得到Trap探测器在整个可见光波段内的绝对光谱响应率；经过上述低温绝对辐射计的绝对标定，Trap探测器就成为了一个光辐射功率标准探测器；(4)、根据辐射功率和辐射亮度的定义，辐射功率(辐射通量)φ是指单位时间dt通过某空间位置辐射能dQ，有：φ＝dQ/dt；辐射亮度L是指离开、到达或者穿过某一表面单位立体角dΩ、单位投影面积dScosθ上的辐射通量dΦ，有：L＝dΩ/dΩ·dS·cosθ；比较辐射通量和辐射亮度定义式的区别，可以看出，相对于辐射通量，辐射亮度的定义式中仅多了一个几何因子(dΩ·dS·cosθ)，而该几何因子实际上是由入射孔径和立体角共同决定的；即，辐亮度的测量相对于辐射通量的测量仅多了一个由入射孔径和立体角共同决定的几何因子的精确测定；因此，在Trap光功率标准探测器入射光路前方引入一个能限制入射孔径和立体角的圆筒形的光阑筒，并对该入射孔径和立体角进行精确测定后，通过公式严格计算，就可使Trap光辐射功率标准探测器转变为辐亮度标准探测器；(5)、在实测某朗伯特性目标时，通过温控系统，将辐亮度标准探测器温度控制在(3)中Trap光功率标准探测器相对于低温辐射计作绝对功率标定时的温度，至此，基于标准探测器的辐亮度标准建立完成。

通过自由更换不同中心波长的窄带干涉滤光片，可构成不同中心波长的辐亮度探测基准。

所述的高精度辐亮度探测基准的实现装置，其特征在于它包括：去处杂散光光阑、精密温度传感器、视场光阑、孔径光阑、窄带干涉滤光片、VFD荧光数码显示屏、前面板按键键盘、RS232-C串行接口和基于光陷阱结构的Trap探测器。

Trap探测器核心部分采用了结构设计巧妙的光陷阱结构。这种设计结构，使得入射光在Trap内部经过多次反射吸收后，几乎全部入射光都能被探测器接受完成光电转换。且Trap探测器偏振非敏感，多次测量时不会因入射光的偏振态不同对测量结果产生影响。

所述的多波段滤光片式辐亮度计，设计有基于半导体致冷技术的精密恒温控制系统。摒弃了传统的温控水套的方法，采用了半导体致冷器Peltier，数字温度传感器DS18B20。数字温度传感器DS18B20固定安装在辐亮度计上，采用导热硅胶粘接，辐亮度计与温度传感器以及Peltier之间用导热环氧树脂粘接或低温焊料焊接。

所述的多波段滤光片式辐亮度计，具有友好的人机交换界面，可以设置为远程计算机自动控制模式或本地工作模式。带有掉电非易失性存储器，当设置为自动测量状态时，本发明的辐亮度计可自动完成采集测量，结果存储于片上存储器中，测量结束后可通过RS232C串口传入上位PC机进行后期的数据统计分析处理。

本发明辐射源的初级基准采用了当前世界上测量光辐射通量精度最高的装置——低温绝对辐射计。低温绝对辐射计利用电替代原理测量光辐射的绝对功率。入射光使辐射计内部接收腔的温度升高，达到热平衡后挡住入射光，用电加热产生同样温升所需要的电功率即等于实际的入射光功率，其中温度和电加热功率分别用锗电阻温度计和电桥精密测量。辐射计内部锥管形的接收腔内壁涂覆了高吸收率材料，入射光在其中多次反射后接近于完全被吸收。腔体处于液氮(77K)和液氦(4.2K)双层冷屏蔽下，隔绝了环境热辐射，也使光和电加热过程达到极高的等效性。低温下导线及接头均处于超导状态，其欧姆损耗可以忽略。低温辐射计的上述设计特点使其用于光辐射测量的精度非常高，测量不确定度可达到0.01％。

本发明的多波段滤光片式辐亮度计，其特征在于采用了光陷阱的独特结构设计。这种光陷阱设计结构采用三片平面型硅光电二极管，根据镜反射原理使入射到第一块硅光电二极管上的反射光打到第二块硅光电二极管，第二块硅光电二极管上的反射光再打到第三块硅光电二极管上，而第三块硅光电二极管上的反射光再循原路返回到第二块硅光电二极管上并由此在第二块硅光电二极管上产生的反射光再打到第一块硅光电二极管上。这样，在每块硅光电二极管上因反射而损失掉的部分光线将被下一块硅光电二极管所接收，依次类推。原理如下：

对于单个硅光电二极管，有：

I_f＝η(1-ρ)(λe/hc)·P

故，光陷阱结构中有：

I_f＝[η₁(1-ρ₁)+η₂ρ₂(1-ρ₁)+η₃ρ₁ρ₂(1-ρ₃)+η₂ρ₁ρ₂ρ₃(1-ρ₂)+η₁ρ₁ρ₂ρ₂ρ₃(1-ρ₁)]·(λe/h c)·P

式中：I_f为光生电流；P为入射光功率；λ为入射光波长；h为Plank常数；c为真空光速；η₁、η₂、η₃分别为1#、2#、3#硅光电二极管的内量子效率；

ρ₁、ρ₂是入射角为45°时1#、2#光电二极管的反射率，ρ₃为垂直入射时3#光电二极管的反射率。

事实上，由于采用的是同种型号的光电二极管，故有：η₁＝η₂＝η₃和ρ₁＝ρ₂＝ρ₃，则上式可简化为：

I_f＝η(1-ρ₅)(λe/hc)·P

这样就形成了一个光陷阱，与单片硅光电二极管相比，其表面反射率大大降低了，同时，该三片式结构也能大大降低单一器件对辐射的偏振敏感性，即最大限度地降低硅光电二极管探测器件表面反射率因入射角的不同对测量所带来的影响和偏振敏感性引起的辐射测量的不确定因素，从而可以大大提高测量精度。

本发明的滤光片式辐亮度计，其分光元件采用了窄带干涉滤光片，装配结构采用了便于更换不同中心波长滤光片的设计结构。对所需的不同波段，可以通过更换不同中心波长的滤光片来实现。

由于滤光片的中心波长、透过率等关键参数会随环境温度的变化发生漂移而导致辐亮度计的测量精度降低，故本发明的滤光片式辐亮度计，设计了完备的智能型温度监测和控制系统，它可以对滤光片实现精密恒温控制。

本发明的滤光片式辐亮度计，设计有友好的人机交互界面和RS232C计算机串行接口。其前面板上的小键盘，用于输入有关设置参数；高亮度真空荧光显示屏VFD，用于实时显示操作提示信息、工作状态信息及测量结果。该辐亮度计可设置为本地工作模式或计算机远程控制模式。

附图说明

图1为本发明的辐亮度标准传递链示意图。

图2为本发明的光陷阱结构示意图。

图3为本发明的多波段滤光片式辐亮度计结构示意图。

图4为多波段滤光片式辐亮度计温控系统图。

具体实施方式

参见图1、图2、图3、图4。

本发明的新型基于标准探测器的高精度辐亮度标准实现方法如图1所示。低温辐射计是目前世界上测量光辐射功率绝对精度最高的装置。本发明方法中以它作为光辐射通量计量的初级基准。由于低温绝对辐射计造价昂贵，体积较大，操作运行较为复杂，不便于作为日常的工作标准加以使用，因而本发明又设计研制了基于光陷阱结构的Trap探测器，它性能优越，体积小，使用简单方便，长期稳定性好，非常适合作为传递标准使用。在可见光波段，采用不同波长的激光，对Trap探测器的响应相对于低温绝对辐射计进行绝对量定标，然后基于Trap探测器的光谱响应曲线，通过外推和内差算法，即可计算得到Trap探测器在可见光范围整个连续波段上的绝对光谱响应率。这样Trap探测器就成为了一个能够用于光辐射通量绝对量测量的光通量标准探测器，完成了图1中所示的低温绝对辐射计到Trap标准探测器的标准传递。

本发明的多波段滤光片式辐亮度计如图3所示。其中，1、去除杂散光光阑，2、精密温度传感器，3、视场光阑，4、孔径光阑，5、窄带干涉滤光片，6、VFD荧光数码显示屏，7、前面板按键，8、RS232-C串行接口，9、光陷阱结构的Trap探测器。

根据定义，辐亮度L是指离开、到达或穿过某一表面单位立体角dΩ、单位投影面积上dScosθ的辐射通量dΩ，有：

$L=\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{d\Ω}\mathrm{dS}\cos \mathrm{\θ}}$

根据以上定义式，要精确测定到达Trap探测器入瞳处的辐亮度，则需要知道进入Trap探测器入瞳的辐射通量dΦ，立体角dΩ和投影面积dScosθ。由于Trap探测器相对于低温绝对辐射计，已做了绝对辐射定标，其绝对光谱响应率已知，在测量得到Trap探测器的输出电压信号后，根据其绝对光谱响应率可以计算得知Trap探测器入瞳处的辐射通量dΦ。本设计中的立体角dΩ和投影面积dScosθ是通过视场光阑，孔径光阑，以及两者之间的距离等几何因子最终共同确定的，因而在精确测量了视场光阑、孔径光阑以及两者的之间的距离后，就可以计算得知立体角dΩ以及投影面积dScosθ。这样，已知dΦ、dΩ以及dScosθ后，根据以上辐亮度的定义式即可精确计算得到Trap探测器入瞳处的辐亮度值。

以上公式给出的是波段不受任何约束的全波段范围内的辐亮度定义，而实际应用中，往往需要知道的是某一特定波长在一定带宽范围内的光谱辐亮度，因而还需要考虑波长和带宽因素。

本发明中采用了窄带干涉滤光片作为光学系统的分光元件，来限定波长位置和带宽。这样，在精确测定了滤光片的光谱透过率和带宽后，结合以上得到的辐亮度值即可计算得到某一特定波长的光谱辐亮度。多波段辐亮度计成为了一个能够用于光谱辐亮度精确计量的辐亮度探测基准。

至此，就实现了图1所示的从Trap标准探测器到多波段辐亮度计的标准传递过程，其实质是实现了从光辐射通量基准到光谱辐亮度基准的传递和转换，建立了新型的基于标准探测器的辐亮度探测基准。

本发明采用多波段辐亮度计所实现的辐亮度探测基准，绝对精度高，不确定度优于1％，该标准性能非常稳定，便于保存。本发明的多波段滤光片式辐亮度计，其结构如图3所示，由三部分组成：圆筒形的光阑筒部分、Trap探测器部分和电路采集控制部分。圆筒形的光阑筒内依次安装有视场光阑3、去除杂散光光阑1、孔径光阑4和窄带干涉滤光片5，然后将该光阑筒安装在一箱体上，箱体靠近窄带干涉滤光片一侧安装有一个多面体结构的Trap骨架9，Trap骨架的紧贴光阑筒的面上留有一个圆形的光入射孔14，其余三个面每个面上分别固定有一个硅光电二极管。光入射孔14所在平面与底面15垂面，右侧面16与光入射孔14所在平面成45度夹角，且右侧面16与底面15垂直，左侧面17与底面15成45度夹角，左侧面17与光入射孔14所在平面垂直，固定在Trap多面体骨架上的三个硅光电二极管在电路上采用并联连接方式，三个并联光电二极管所输出的光电流信号，经前放电路作I-V变化和放大，转变为电压信号，再经信号调理电路预处理后送入由单片机系统控制的A/D转换和信号处理单元部分，进而完成信号的采集、辐亮度绝对量值计算、存储及测量结果的实时显示等功能。本发明的多波段滤光片式辐亮度计设计有前面板按键和VFD高亮度荧光数码显示屏，用于输入用户设置参数和实时显示测量结果。在本地自动测量模式时，系统可将测量结果存储于掉电非易失性存储器中，测量结束后可通过RS232C串口上传至PC机进行后期数据的统计分析处理。

本发明的多波段滤光片式辐亮度计，配备有窄带干涉滤光片。实验研究表明，滤光片的性能参数会随环境温度起伏发生较大变化，是影响多波段滤光片式辐亮度计绝对精度的关键因素。考虑到多波段滤光片式辐亮度计在不同环境温度中作为日常辐亮度探测标准使用时，其精度应该不受环境温度影响，本发明设计了精密温控系统，来对滤光片进行恒温控制，从而使得滤光片的温度始终被控制在其相对于低温绝对辐射计作绝对响应定标时的温度。本发明的精密温控系统如图4所示，包括：多波段滤光片式辐亮度计10，固定在滤光片式辐亮度计上面的数字温度传感器DS18B20 11，与滤光片式辐亮度计相连的半导体热电致冷器Peltier 12，散热器13，与数字温度传感器输出端相连的智能温控电路以及人机接口电路。

本实施的滤光片式辐亮度计与DS18B20温度传感器之间以及滤光片式辐亮度计与Peltier之间都必须保持良好的钢性热接触，这样才能达到理想的控温效果。实际连接中可以采用导热硅胶粘接或采用夹具连接的方式。当采用粘接方式时，辐亮度计与温度传感器以及Peltier之间可用导热环氧树脂粘接或低温焊料焊接；当采用夹具连接时，辐亮度计与温度传感器以及Peltier之间都需要均匀涂抹导热硅胶，以降低接触面的热阻。

本发明中用于加热或致冷操作的器件采用了半导体热电致冷器Peltier，它是基于Peltier效应的多对热电致冷对在电气上串联、在热传导上并联组成的。通过改变加在器件上的直流电的极性即可变致冷为加热，而吸热或放热率则正比于所加直流电流的大小。由于Peltier既可实现加热又可进行致冷，且体积小巧，使用简捷方便，特别适合于小热量和受空间限制的精密仪器仪表的温度控制。

本发明的基于标准探测器的高精度辐亮度探测基准的实现方法和装置，在绝对精度和长期稳定性等关键性能指标上，具有传统的基于辐射源法所无法比拟的优势，是一套全新的辐射度学计量基准的建立思路和方法。

Claims (3)

1、一种基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法，包括以下步骤：(1)、设计一个多波段滤光片式辐亮度计，该滤光片式辐亮度计实际上由三部分组成：圆筒形的光阑筒部分、Trap探测器部分和电路采集控制部分，(2)、在圆筒形的光阑筒内依次安装视场光阑、去除杂散光光阑、孔径光阑和窄带干涉滤光片，然后将该光阑筒安装在一箱体上，箱体靠近窄带干涉滤光片一侧安装有一个多面体结构的Trap骨架，Trap骨架的紧贴光阑筒的面上留有一个圆形的光入射孔，其余三个面每个面上分别固定有一个硅光电二极管，设定这三个面分别为底面，左侧面，右侧面，这三个面的位置关系为：光入射孔所在平面与底面垂面，右侧面与光入射孔所在平面成45度夹角，且右侧面与底面垂直，左侧面与底面成45度夹角，左侧面与光入射孔所在平面垂直，固定在Trap多面体骨架上的三个硅光电二极管在电路上采用并联连接方式，三个并联光电二极管所输出的光电流信号，经前放电路作I-V变化和放大，转变为电压信号，再经信号调理电路预处理后送入由单片机系统控制的A/D转换和信号处理单元部分，(3)、在(1)、(2)中所述的辐亮度计中的多面体结构Trap骨架及其后端的运放电路部分共同构成了一个光陷阱结构的Trap探测器；在可见光波段范围内选定几个波长激光，在各波长点上，利用低温绝对辐射计和HP34970A6.5位数字电压表分别测量进入光陷阱结构Trap探测器的入射激光辐射通量和Trap探测器的输出电压信号，建立光陷阱结构Trap探测器在各个波长点上的输入光辐射通量和其输出电压之间的一一对应关系，通过内差和外推，计算得到Trap探测器在整个可见光波段内的绝对光谱响应率；经过上述低温绝对辐射计的绝对标定，Trap探测器就成为了一个光辐射功率标准探测器；(4)、根据辐射功率和辐射亮度的定义，辐射功率(辐射通量)φ是指单位时间dt通过某空间位置辐射能dQ，有：φ＝dQ/dt；辐射亮度L是指离开、到达或者穿过某一表面单位立体角dΩ、单位投影面积dScosθ上的辐射通量dФ，有：L＝dφ/dΩ·dS·cosθ；比较辐射通量和辐射亮度定义式的区别，可以看出，相对于辐射通量，辐射亮度的定义式中仅多了一个几何因子(dΩ·dS·cosθ)，而该几何因子实际上是由入射孔径和立体角共同决定的；即，辐亮度的测量相对于辐射通量的测量仅多了一个由入射孔径和立体角共同决定的几何因子的精确测定；因此，在Trap光功率标准探测器入射光路前方引入一个能限制入射孔径和立体角的圆筒形的光阑筒，并对该入射孔径和立体角进行精确测定后，通过公式严格计算，就可使Trap光辐射功率标准探测器转变为辐亮度标准探测器；(5)、在实测某朗伯特性目标时，通过温控系统，将辐亮度标准探测器温度控制在(3)中Trap光功率标准探测器相对于低温辐射计作绝对功率标定时的温度，至此，基于标准探测器的辐亮度标准建立完成。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过自由更换不同中心波长的窄带干涉滤光片，可构成不同中心波长的辐亮度探测基准。

3、根据权利要求1所述的高精度辐亮度基准的实现装置，其特征在于它包括：去处杂散光光阑、精密温度传感器、视场光阑、孔径光阑、窄带干涉滤光片、VFD荧光数码显示屏、前面板按键键盘、RS232-C串行接口和基于光陷阱结构的Trap探测器。

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