论文部分内容阅读
光度学是一门以人眼视觉来评价辐射,从而进行光的计量和测量的学科。它是辐射度学的一个具体应用分支。二者的区别在于,辐射度学涵盖波长大于10nm而小于1mm的光辐射范围,而光度学则只涉及人眼可感知的可见光。光度学与计量学、视觉科学、照明工程、天文观测、光学仪器、光电子学和光谱学等领域都有着十分密切的关系。要处理其中的视觉和光学问题,首先需要对光进行定量评价。光度学除了要定义一些物理量并确定相应的测量单位外,还要研究测量方法和测量仪器的设计与制造。 本文在对光度学基础理论做了简要介绍的基础上,主要讨论了作者在博士阶段研究工作中所涉及的光辐射计量和测试技术的五个问题:光度探头的视觉匹配和余弦校正、积分球非中性、紫外辐射测量方法和仪器。 首先研究了光度探头视觉匹配误差评价参数fi与测量误差的关系。讨论了三种匹配模式下fi的变化规律。通过实际仔细匹配制作16个光度探头,其中8个以硅光电二极管为探测器,8个以光电倍增管为探测器,并测量它们的光谱响应曲线,分别研究了两种探头实际光谱匹配误差的共同特点并以此建立数学模型,用正弦函数和指数函数来模拟光度探头的光谱匹配误差。利用该方法产生一系列具有不同光谱响应函数的光度探头,在A光源下进行定标,然后计算其在六种常用光源即白炽灯、荧光灯、金卤灯、氙灯、D65光源和白光LED下的测量误差。结果表明,f1与测量误差不存在明显的直接相关关系,而是与误差阈的大小呈现出相关关系,即f1越大,测量误差可能取值的范围也越大,得到的误差阈可用于估计已知fi的光度探头在测量相应常用光源时的可能最大测量误差。计算中,对于fi值分别为3.5％、6％和8％的探头,其在测量上述常用光源时可能最大测量误差依次约为2.5％、4％和6％。标准级探头与相对示值误差要求的±1.0％相差较大,而一级和二级探头则满足相对示值误差±4％和±8％的要求。然后将定标光源改为D65光源,重新计算光度探头测量其他光源时的测量误差,结果表明f1.与测量误差的相关性增强,且误差阈明显减小。 接着讨论了在使用平面型余弦校正器对探测器进行余弦校正时结构参数对余弦响应的影响。选用了三种具有不同光敏面尺寸的探测器:3mm×3mm,6mm×6m;m和10mm×10mm;加工了三个具有不同直径探测孔的探头盒:10mm,18 mm和26 mm:制作了两种材料(RMB1和RMB2)、两种抛光方式(单面抛光和光面抛光)、五种厚度(0.5mm,1.0mm,1.5mm,2.0mm和2.5mm)的甲面型余弦片,所有这些的组合构成了一系列的余弦校正探头。通过测量这些探头的余弦响应曲线,分析了各参数对余弦响应的影响。实验获得了一些精确余弦匹配的设计实例。实验中,随着余弦片厚度的增加,余弦响应表现出从响应不足到过度响应的特点。这表明在余弦校正中,余弦片的厚度并不是越厚就能获得越好的余弦响应。在光敏面尺寸为3mm×3mm的探测器的余弦校正中,发现余弦片的最佳厚度与探测孔直径相对探测器光敏面尺寸的比例呈线性关系,即相同探测器,当探测孔直径与探测器光敏面尺寸之比增大时,为获得较好的余弦响应所需的余弦片厚度也相应增大。其他两种探测器也表现出相同的趋势,只是确定具体的关系有待于进一步实验。另外,还分析了探测器到余弦片的距离、余弦片材料和抛光方式对余弦响应的影响。 在积分球非中性问题上,首先推导了积分球非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明在通常的积分球应用中,积分球非中性与内壁涂层光谱反射比的非中性正相关,且积分球多次漫反射的累积作用会放大内壁涂层光谱反射比的非中性,并对高反射比的量值变化敏感。然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型涂层积分球的出射光光谱分布、色坐标和色温。结果表明,两种积分球的非中性对出射光谱的影响趋势相同,均是出射光谱较入射光谱而言,波长越短,受到压制越大,从而使得长波端变得相对丰富。两种涂层的积分球非中性对出射光谱的影响特征相同,这是由硫酸钡涂层和聚四氟乙烯涂层的光谱反射比随波长增加均缓慢增加的趋势决定的。这种影响表现在色度上则是色坐标(x,y)增大,色温降低。其中,聚四氟乙烯积分球的出射光色温在A光源、氙灯作为入射光源时分别降低约20K和70K:而相同测量条件下,硫酸钡积分球的出射光色温则分别降低约300K和1000K,非中性影响非常明显。 此外,在紫外光谱测量上,采用32通道多阳极光电倍增管阵列作为探测器,提出一种新的基于光电倍增管阵列的紫外光谱测量方法。由于光电倍增管阵列在紫外波段具有高灵敏度,加之其光谱响应范围较窄,该方法能够更好地抑制带外杂光。通过设计分光光路、数据采集电路和系统控制软件,完成光谱测量系统的研制。分析了系统的光谱采集速率、灵敏度和测量稳定性,并与具有紫外高灵敏度的漳型背照式CCD光谱仪进行实验比较。结果表明,系统具有较高的紫外灵敏度,在相同信噪比下,系统的灵敏度与该光谱仪在积分时间为2s时的灵敏度相当,且单次测量时间小于7ms,对CCD需要延长时间以提高探测能力的微弱紫外辐射亦可实现快速测量。 最后,着眼于冰穹A紫外天文观测可能是空间紫外天文的另一选择和有效补充,提出在南极冰穹A和北京地区建立太阳紫外辐射观测于段。研制了适用于冰穹A的全灭候太阳紫外辐射计,用于对直接太阳紫外辐射进行大气消光测量,以获取冰穹A处的大气紫外透过率。同时,还研制了全天候的总太阳紫外辐照度测量设备,用于研究两地太阳紫外辐射的长期变化规律和特征。两种仪器都进行了特殊设计,以符合全天候使用要求和应对冰穹A的极端环境。