陣列式光譜輻射計光學(xué)參數(shù)測量

吳志峰，代彩紅，王彥飛，鄒巨洪

(1.中國計量科學(xué)研究院 光學(xué)與激光計量科學(xué)研究所，北京 100029;

2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

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陣列式光譜輻射計光學(xué)參數(shù)測量

吳志峰1*，代彩紅1，王彥飛1，鄒巨洪2

(1.中國計量科學(xué)研究院 光學(xué)與激光計量科學(xué)研究所，北京 100029;

2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

研究了陣列式光譜輻射計校準(zhǔn)過程中涉及的雜散光和帶寬等問題。實驗比較了陣列式光譜輻射計在氙燈和鹵鎢燈照射下進行紫外輻射測量的差異，對差異的來源-雜散光部分進行了測評。采用一組已知透過率的濾光片，通過采集有濾光片和無濾光片條件下鹵鎢燈的光譜，對陣列式光譜輻射計的雜散光大小進行評價，并評估了雜散光在紫外輻射測量中引起的數(shù)值偏差。實驗測量了不同的陣列式光譜輻射計采集窄帶光源的結(jié)果，對陣列式光譜輻射計的帶寬在輻射照度計算中的影響進行評估。 實驗結(jié)果表明：鹵鎢燈照射下部分陣列式光譜輻射計在紫外300 nm處的雜散光比例高達30%以上，制約了紫外輻射測量的可靠性；氙燈照射下陣列式光譜輻射計在300 nm的雜散光比例可以降至5%左右；陣列式光譜儀的帶寬限制了其能夠準(zhǔn)確測量光源的最小測量半高寬，幾種不同帶寬的陣列式光譜輻射計在365 nm的測量偏差高達4%。得到的結(jié)果表明：陣列式光譜輻射計的雜散光、帶寬等光學(xué)特性對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。

陣列式光譜輻射計；紫外輻射；雜散光；帶寬；標(biāo)定

*Correspondingauthor,E-mail:wuzf@nim.ac.cn

1　引　言

光譜輻射度應(yīng)用范圍廣泛，涉及遙感探測[1-2]、光生物安全[3]、材料老化[4]等眾多行業(yè)。長久以來，光譜輻射計是實現(xiàn)光譜輻射探測的重要儀器，用于測量光譜輻射照度、光譜輻射亮度以及色溫度[5-6]。傳統(tǒng)的光譜輻射計通過機械掃描實現(xiàn)光柵或棱鏡分光，經(jīng)光電探測器探測從而實現(xiàn)不同波長的光譜輻射量測量。但受限于較大的體積和重量，以及精密的機械結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)，它們僅適合實驗室操作，往往難以應(yīng)用于實驗室外，尤其是野外。隨著電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)和光電二極管陣列(PhotoDiode Array,PDA)探測器的飛速發(fā)展，陣列式探測器被廣泛應(yīng)用于光譜輻射計。各種小型化、微型化的陣列式光譜輻射計不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)許多單位也開展了基于陣列式探測器的光譜輻射計研究[7-10]。陣列式光譜輻射計結(jié)構(gòu)緊湊，無需機械控制，減輕了儀器重量，改善了移動穩(wěn)定性。同時，陣列式光譜輻射計可以實現(xiàn)全波段數(shù)據(jù)的快速采集，大大節(jié)省了測量時間。陣列式光譜輻射計的測量快捷性和易于攜帶性使其應(yīng)用越來越廣泛。

陣列式光譜輻射計使用前，往往需要通過輻射定標(biāo)，經(jīng)多級量值溯源鏈，最終溯源至國家計量院的基標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)儀器至國際單位制的溯源，滿足測量一致性的基本要求。輻射定標(biāo)的準(zhǔn)確度既取決于輻射定標(biāo)光源的準(zhǔn)確度，也依賴于儀器自身的性能。輻射定標(biāo)光源的最小測量不確定度可以通過減少量值溯源鏈，直接溯源至國家計量院來實現(xiàn)。因此，陣列式光譜輻射計的測量不確定度最終歸結(jié)為對該儀器光學(xué)特性的考察。目前，國內(nèi)外針對陣列式光譜輻射計特性的實驗和理論研究日益增多，如陣列式光譜輻射計的短期穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、測量非線性、雜散光和帶寬等[11-16]方面。一般地，陣列式探測器的光譜響應(yīng)范圍、不同波段的光譜響應(yīng)靈敏度、動態(tài)測量范圍、像素點的個數(shù)等指標(biāo)直接關(guān)系到陣列式光譜輻射計的光學(xué)性能。另外，陣列式光譜輻射計內(nèi)部的光路設(shè)置、焦距、鏡片的色像差、光柵質(zhì)量等，會影響到最終的雜散光、信噪比、帶寬等特性。

目前，陣列式光譜輻射計常用來進行紫外波段測量，如太陽光譜測量。然而，測量的準(zhǔn)確性與真實光譜差異較大，難以保證數(shù)據(jù)的一致性，帶來了許多的問題。同時，陣列式光譜輻射計定標(biāo)光源和測量光源的光譜不匹配會嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。本文針對陣列式光譜輻射計紫外測量、雜散光和帶寬等問題展開了討論，從而為光譜輻射計紫外波段的測量提供借鑒。

2　陣列式光譜輻射計的工作原理

陣列式光譜輻射計主要由入射光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直和分光系統(tǒng)、探測系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)組成。入射光學(xué)系統(tǒng)常采用光學(xué)光纖、白板或積分球?qū)牍廨椛湫盘?。?zhǔn)直和分光通過凹面鏡、光學(xué)光柵或光學(xué)棱鏡實現(xiàn)。陣列式探測器接收不同波長的光譜，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后將數(shù)值傳遞至計算機，最終由光譜輻射計軟件處理采集到的數(shù)據(jù)。

圖1　陣列式光譜儀校準(zhǔn)裝置Fig.1　Calibration setups of array spectroradiometer

圖1給出了陣列式光譜輻射計的校準(zhǔn)光路圖。標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲中心距離光譜輻射計的入射光學(xué)中心500 mm，標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲主軸與光譜輻射計的入射光學(xué)主軸重合。標(biāo)準(zhǔn)燈和光譜輻射計中間設(shè)置光闌，光闌開口尺寸根據(jù)幾何光路確定。測量系統(tǒng)位于暗室，屏蔽雜散光。

3　陣列式光譜輻射計的測量實驗

3.1紫外測量

實驗采用鹵鎢燈和氙燈兩種光源一起用于紫外測量研究。鹵鎢燈和氙燈在特定距離下的光譜輻射照度已知，通過采集特定距離下光譜輻射計的響應(yīng)信號，對光譜輻射計的光譜響應(yīng)度進行定標(biāo)。

實驗室比較了300～400 nm波段光譜輻射計采用溴鎢燈和氙燈的定標(biāo)系數(shù)。圖2給出了鹵鎢燈和氙燈的定標(biāo)差異?？梢钥闯?，測量值在300 nm，兩者差異高達40%；在350 ～400 nm兩者差異較小，在3.5%以內(nèi)。

圖3給出了50 cm距離下鹵鎢燈和氙燈的光譜輻照度?？梢钥闯觯u鎢燈在250～1 100 nm光譜輻照度變化約為3個數(shù)量級。與鹵鎢燈不同，氙燈在250～1 100 nm的光譜輻照度變化小于1個數(shù)量級。很顯然，鹵鎢燈和氙燈的光譜差異極大。圖2中的差異是由于光譜不匹配帶來的，光譜輻射計測量值偏大可能因為雜散光的干擾。

圖2　鹵鎢燈與氙燈的定標(biāo)系數(shù)差異Fig.2　Difference between measurement coefficients using tungsten haolgen lamp and xenon lamp

圖3　鹵鎢燈和氙燈的光譜輻射照度值Fig.3　Irradiances of tuags ten haolgen lamp and xenon lamp measured with of array radiometer

3.2雜散光測量

雜散光通?？梢苑譃閮煞N：一種由測量系統(tǒng)設(shè)計引起，如實驗室背景反射，陣列光譜輻射計接收到的輻射并非僅來自測量光源的直接入射；第二種由陣列式光譜輻射計自身帶來的，儀器內(nèi)部的陣列探測器接收到來自非光路設(shè)計的光譜輻射。第一種可以通過基于實驗經(jīng)驗的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計來消除；第二種則需針對儀器進行測試。這里僅討論了第二種雜散光的抑制。

在400～1 000 nm鹵鎢燈的光譜輻射照度明顯大于氙燈，實驗采用黃玻璃-波長大于400 nm的長通濾光片和365 nm濾光片-波長小于400 nm的帶通濾光片測試陣列式光譜輻射計。實驗先測量陣列式光譜輻射計在鹵鎢燈下的信號，然后依次將黃色玻璃、365 nm濾光片放置在儀器的入口前測量鹵鎢燈信號，最后將黃色玻璃和365 nm濾光片同時放置在鹵鎢燈前測量信號。濾光片透過率為：

(1)

式中：τ(λ)是光譜輻射計測量的濾光片透過率，S′(λ)是采用濾光片在波長λ處采集的信號，S(λ)是無濾光片在波長λ處采集的信號。由于濾光片的透過率已知，可以通過比較光譜輻射計測得的透過率和真實的透過率，來判定儀器的雜散光水平。對于理想的光纖光譜儀，通過式(1)計算得到的透過率應(yīng)等于真實的透過率。

圖4　陣列式光譜輻射計測量的不同濾光片透過率Fig.4　Transmission of different filters measured using array radiometer

圖4藍線是陣列式光譜輻射計測量的黃玻璃透過率，紅線是365 nm濾光片的透過率，綠線是黃色玻璃和365 nm濾光片一起的透過率(彩圖見期刊電子版)。黃色玻璃在300～400 nm的真實透過率為0，因此陣列式光譜輻射計僅接收波長大于400 nm的光譜輻射信號。然而，在波長小于400 nm波段，陣列式光譜輻射計測量的黃色玻璃透過率顯然不為0。實驗表明，鹵鎢燈照射下400 nm以后的光譜輻射信號會為紫外波段帶來很嚴(yán)重的雜散光。因此，采用氙燈定標(biāo)的儀器測量鹵鎢燈時，300～350 nm采集的信號部分來自于雜散光，使得光譜輻射計測量值大于鹵鎢燈的標(biāo)準(zhǔn)值。數(shù)據(jù)表明，采用鹵鎢燈測量時紫外波段的雜散光不可忽略。圖4表明，采用365 nm濾光片并不透過400 nm以后的光譜，所測得的透過率在300～400 nm，比較接近真實的透過率，在可見光和近紅外波段的透過率幾乎為0。因此，在鹵鎢燈照射下，300～400 nm的紫外輻射并未對光譜輻射計在可見和近紅外波段產(chǎn)生明顯的雜散光影響；而波長大于400 nm的輻射對紫外波段有明顯的雜散光影響。

實驗對比了兩臺陣列式光譜輻射計的測量結(jié)果。其中一臺既測量了鹵鎢燈照射下的雜散光水平，同時測量了氙燈照射下的雜散光水平；另一臺僅測量了鹵鎢燈下的雜散光水平。兩臺儀器分為記為儀器I和儀器II。圖5中可以看到：對于儀器I，當(dāng)測量光源從鹵鎢燈變?yōu)殡療?，雜散光帶來的貢獻明顯變??；對于儀器II，采用鹵鎢燈在300～400 nm雜散光的貢獻整體小于2.0%，儀器的雜散光抑制效果明顯優(yōu)于儀器I。

圖5　儀器I和儀器II測量的黃色玻璃透過率Fig.5　Transmission of different filters measured using array radiometers

對于陣列光譜輻射計雜散光的影響，數(shù)學(xué)上可以近似將300～400 nm光譜輻射信號和400～1 000 nm光譜輻射信號分別看成一個整體，雜散光影響下濾光片的透過率為：

(2)

式中：E(λ)300-400和E(λ)400-1000分別為光譜輻射計采集的300～400 nm和400～1 000 nm的光譜輻射信號；k為耦合因子，用來描述波長大于400 nm波段光譜在300～400 nm貢獻的系數(shù)。當(dāng)采用黃色玻璃時，陣列光譜輻射計采集的信號為kE(λ)400-1000。

取300～350 nm波段的實際測量平均值，假定雜散光貢獻的透過率系數(shù)為0.2，對于鹵鎢燈，存在關(guān)系E(λ)300-400∶E(λ)400-1000≈1∶100。根據(jù)式(2)計算得到k=0.002 5。對于氙燈，假定E(λ)300-400∶E(λ)400-1000≈1∶10,計算得到氙燈雜散光貢獻的透過率為0.024，與圖中氙燈的實際測量平均值接近。如果采用足夠多的濾光片，原則上可以分析各個波段在其他波段的雜散光貢獻。對于光譜輻射計測量得到的數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)學(xué)計算扣除各個波段在其他波段的雜散光，最終反演得到真實的光譜數(shù)據(jù)。

3.3帶寬測量

為了準(zhǔn)確測量光譜輻照度，陣列式光譜輻射計必須面對的一個問題是帶寬。傳統(tǒng)的雙光柵光譜輻射計體積大、光譜分辨率高、帶寬窄。然而，陣列式光譜輻射計大多采用CCD或CMOS陣列探測器，波長覆蓋250～1 100 nm的探測器，假定像素點為2 048個，則單個像素點對應(yīng)的波長約為0.46 nm。最終的測量結(jié)果往往需要插值處理才能給出0.1 nm甚至更小的波長間隔。同時，陣列式光譜輻射計結(jié)構(gòu)小，光路分光設(shè)計往往限制了儀器的帶寬，因此儀器很難準(zhǔn)確測量窄帶寬光源的光譜。

圖6給出了幾種不同的陣列式光譜輻射計測量的365 nm窄帶光源。從圖中可以看到，綠色的光譜半高寬約為其余兩種顏色的兩倍。對于各個光譜儀測量的320～390 nm的光譜輻照度進行積分發(fā)現(xiàn)，其中綠線的積分輻射度比紅線低4.0%，紅線較藍線低2.0%。采用雙光柵光譜輻射計測量后，藍線的積分輻照度與雙光柵光譜輻射計的測量結(jié)果最接近。由于被測光源是一個窄帶光源，隨著儀器的帶寬變窄，測量的光譜分布逐漸接近被測光源的真實光譜，積分的輻照度也逐漸增大。顯然，光譜輻射計的帶寬對最終的光譜輻照度測量至關(guān)重要。

圖6　不同光譜儀采集的光譜功率分布Fig.6　Spectral power distribution of different filters measured using array radiometer

光譜輻射計定標(biāo)中鹵鎢燈是連續(xù)的寬譜段光源。在工業(yè)應(yīng)用中，儀器常用來測量類日光光源。氙燈常被用來模擬太陽光，光源存在多個譜峰，其光譜分布與鹵鎢燈區(qū)別很大。圖3中氙燈在波長大于400 nm波段出現(xiàn)多個譜峰結(jié)構(gòu)，如果光譜輻射計的帶寬能力無法準(zhǔn)確測量氙燈的譜峰，甚至兩三個譜峰在測量結(jié)果上顯示為單個譜峰，很容易影響到最終的測量結(jié)果。

4　結(jié)　論

本文比較了陣列式光譜輻射計在氙燈和鹵鎢燈下定標(biāo)的差異，測量結(jié)果顯示在300 nm波段，兩者差異高達到30%。實驗采用陣列式光譜輻射計測量了已知透過率的濾光片，通過與濾光片真實透過率的比較，確認(rèn)鹵鎢燈測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的差異主要來源于雜散光。由于氙燈光譜輻射照度紫外與可見近紅外的比值遠(yuǎn)大于鹵鎢燈，氙燈照射下陣列式光譜輻射計在300 nm處的雜散光比例小于5.0%。當(dāng)陣列式光譜輻射計測量窄帶寬光源時，不同帶寬測量的積分輻射照度差異高達6.0%。這些結(jié)果可用于指導(dǎo)陣列式光譜輻射計的實際應(yīng)用。

[1]王玉鵬，胡秀清，王紅睿，等. 可在軌溯源的太陽反射波段光學(xué)遙感儀器輻射定標(biāo)基準(zhǔn)傳遞鏈路[J].光學(xué) 精密工程，2015,23(7):1807-1812.

WANG Y P, HU X Q, WANG H R,etal.. Standard transfer chain for radiometric calibration of optical sensing instruments with traceability in solar reflective bands[J].Opt.PrecisionEng., 2015,23(7): 1807-1812. (in Chinese)

[2]孫志遠(yuǎn)，常松濤，朱瑋，等. 應(yīng)用內(nèi)外定標(biāo)修正實現(xiàn)紅外測量系統(tǒng)輻射定標(biāo)[J].光學(xué) 精密工程，2015,23(2):356-362.

SUN ZH Y, CHANG S T, ZHU W,etal.. Radiation calibration of infrared system by amendment of inner and outer calibrations[J].Opt.PrecisionEng., 2015,23(2): 356-362. (in Chinese)

[3]代彩紅，黃勃，于家琳.材料老化領(lǐng)域中的光輻射度計量與量值溯源[J].中國計量,2010,8:14-16.

DAI C H, HUANG B, YU J L. Radiometry metrology and traceability in material aging [J].ChinaMetrology, 2010，8:14-16. (in Chinese)

[4]虞建棟.光生物安全性的測試與評價研究[D].浙江：浙江大學(xué),2006.

YU J D.TestingandEvaluationofPhotobiologycalSafety[D]. Hangzhou：Zhe Jiang University, 2006. (in Chinese)

[5]王淑榮,邢進,李福田.利用積分球光源定標(biāo)空間紫外遙感輻射計[J].光學(xué) 精密工程,2006，14(2): 185-190.

WANG SH R, XING J, LI F T. Spectral radiance responsivity calibration of ultraviolet remote sensing spectroradiometer in space using integrating sphere [J].Opt.PrecisionEng., 2006,14(2): 185-190. (in Chinese)

[6]劉怡軒，顏昌翔, 李先鋒，等. 分光測色儀中的光譜儀系統(tǒng) [J]. 光學(xué) 精密工程,2015，23(7): 1965-1971.

LIU Y X, YAN CH X, LI X F,etal.. Design of spectrometer in color measuring spectrophotometer[J].Opt.PrecisionEng., 2015, 23(7): 1965-1971. (in Chinese)

[7]趙華兵，鞠揮，李也凡，等. 微型光譜儀的光譜數(shù)據(jù)分析及計算機實現(xiàn)[J].光學(xué) 精密工程,2003，11(4): 174-179.

ZHAO H B, JU H, LI Y F,etal.. Data analysis of spectrum and its cyber-realization in micro spectrometer[J].Opt.PrecisionEng., 2003,11(4): 174-179. (in Chinese)

[8]ZHANG N, LIU Y L, WU J H,etal.. Design of data acquisition system of miniature spectrometer[J].InfraredandLaserEngineering,2015,44(1): 141-147.

[9]徐明明，江慶五，劉文清，等. 一種新型雙光柵光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化[J]. 紅外與激光工程，2014, 43(1): 184-189.

XU M M, JIANG Q W, LIU W Q,etal.. An improved method for optical system design and optimization of double grating spectrometer[J].InfraredandLaserEngineering, 2015,43(1):184-189. (in Chinese)

[10]王玲芳，溫志渝，向敏毅. 近紅外微型光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及模擬[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2009，29(6):1721-1725.

WANG L F, WEN ZH Y, XIANG M Y. Optical design and simulation of infrared micro spectrometer[J].SpectrascopyandSpectraAnalysis, 2009，29(6): 1721-1725. (in Chinese)

[11]NEVAS S, TEUBER A, SPERLING A,etal.. Stability of array spectroradiometers and their suitability for absolute calibrations[J].Metrologia, 2012, 49:S58-S62.

[12]WOOLIAMS E R, BARIBEAU R’E, BIALEK A,etal.. Spectrometer bandwidth correction for generalized bandwidth function [J].Metrologia, 2011, 48:164-172.

[13]WU Z F, DAI C H, WANG Y F. High accuracy calibration of the fiber spectroradiometer [J].SPIE，2014，9298：92980Y-1-92980Y-6.

[14]WANG Y F, DAI C H, WU Z F. A correction method for measuring spectral irradiance of light sources based on differential quadrature method[J].MathematicalProblemsinEngineering,2015, 2015:1-6.

[15]SALIM S G R, FOX N P, HARTREE W R,etal.. Temperature and nonlinearity corrections for a photodiode array spectrometer used in the field [J].Appl.Opt., 2011,50(6):866-875.

[16]ZONG Y Q, STEVAN W B, JOHNSON B C,etal.. Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers [J].Appl.Opt., 2006,45(6):1111-1119.

吳志峰(1984-)，男，河南衛(wèi)輝人，博士，副研究員，2010年于北京大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從光譜輻射度的研究。E-mail: wuzf@nim.ac.cn

代彩紅(1974-)，女，河南偃師人，研究員，2005年于清華大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為中國計量科學(xué)研究院光學(xué)所輻射室主任，主要從事光譜輻射度和色度等方面的研究。E-mail: daicaihong@nim.ac.cn

(本欄目編輯：曹金)

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Measurement of optical parameters for array spectroradiometers

WU Zhi-feng1*, DAI Cai-hong1, WANG Yan-fei1, ZOU Ju-hong2

(1.DivisionofOptics,NationalInstituteofMetrology,Beijing100029,China; 2.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China)

Several kinds of optical problems involved in calibration of an array spectroradiometer were investigated, such as ultroviolet radiation, stray light, and bandwidth. The difference of ultraviolet radiation measurement of the array spectroradiometer under a xenon lamp and a tungsten halogen lamp was compared and the stray light from the measurement was evaluated. The spectra of the tungsten halogen lamp without and with optical filters were measured by using the array spectroradiometer and the deviation caused by the stray light in the ultraviolet radiation measurement was estimated. Furthermore, the narrow spectral widths captured by different spectroradiometers were measured and the effects of the bandwidths of the spectroradiometers on irradiation calculation were discussed. The experimental results for some array spectroradiometers show that the contribution of the stray light from the tungsten halogen lamp at 300 nm can be as high as 30%, and that from the xenon lamp can be around 5%. Moreover, the bandwidth of the spectroradiometers limits its ability to measure the narrow spectral width for lamps, and the measuring deviation with different bandwidths can be as high as 4% at 365 nm. These results demonstrate that the stray light and the bandwidth of array spectroradiometers are vital to its measurement accuracy.

array spectroradiometer; ultraviolet radiation；stray light; bandwidth； calibration

2016-03-22；

2016-05-13.

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.41305140)

1004-924X(2016)08-1902-06

O432.1；TH741

A

10.3788/OPE.20162408.1902