380～780 nm總光譜輻射通量 量值導出及不確定度評定

趙偉強， 劉 慧， 劉 建

(中國計量科學研究院， 北京 100029)

1 引 言

380～780 nm總光譜輻射通量是描述照明或顯示光源的基本技術(shù)指標之一，也是評價發(fā)光光源優(yōu)劣的標準之一。測量光源的該量值可以導出光源的光度量值(如總通量)及色度量值(如相關(guān)色溫、色品坐標和顯色指數(shù))等。

帶有光譜輻射計的新型球形光度計的量值傳遞和溯源需要使用總光譜輻射通量標準燈。目前，帶有光譜輻射計的新型球形光度計已被光學計量測試機構(gòu)廣泛使用。特別是用于測量非A光源(例如LED，節(jié)能燈)情況下，無需進行光度探測器的光譜光視效率函數(shù)失配修正，相對于傳統(tǒng)的用球形光度計硅探頭具有一定優(yōu)勢[1]。目前，進口的球形光度計普遍采用總光譜輻射通量標準燈進行定標，國內(nèi)廠家所生產(chǎn)的帶光譜輻射計的球形光度計也逐漸采用這種定標方式。

總光譜輻射通量量值需要溯源至國家光度和輻射度的基準[2, 3]，國際上部分國家計量研究機構(gòu)已完成了該項有關(guān)研究工作[4～7]。中國計量科學研究院也開展了相關(guān)方面的研究，導出了380～780 nm總光譜輻射通量量值并保持在標準燈上，對量值進行了相應(yīng)的不確定度評定。

2 總光譜輻射通量量值導出的基本原理

2.1 量值導出的基本過程

總光譜輻射通量量值導出主要依據(jù)總光通量值和光譜輻射強度相對分布，分別溯源至總光通量國家基準和光譜輻射度國家基準。量值導出過程分成為以下3步：

第1步：使用總光通量國家基準或者工作標準標定待測標準燈的總光通量值Φv。

第2步：使用變角輻射計測量待測標準燈的光譜輻射強度相對分布Ir,eλ(λ,θ,φ)，并積分計算出光譜輻射通量相對值Φr,eλ(λ)。使用總光譜輻射通量相對值而非絕對量值，是為了確?？偣庾V輻射通量值，結(jié)合光譜光視效率函數(shù)V(λ)所計算出的總光通量，溯源至總光通量國家基準。

第3步：結(jié)合上述兩步的結(jié)果計算導出總光譜輻射通量量值Φeλ(λ)。

2.2 量值導出的基本原理和操作步驟

(1)在規(guī)定的驅(qū)動電流下，測量光源的總光通量值Φv，具體參照總光通量國家基準操作規(guī)范或者JJG 247 總光通量標準白熾燈檢定規(guī)程。

(2)使用變角輻射計測量光源在全空間不同角度位置上的光譜輻射強度相對分布，并積分計算得到總光譜輻射通量相對值。變角輻射計的基本原理見圖1。

圖1 變角輻射計的基本原理

光譜輻射計采用原位方式進行定標。把安裝有光譜輻射計的采集探頭的旋臂旋轉(zhuǎn)至水平位置，并把光譜輻射照度標準燈放置在旋轉(zhuǎn)中心并保持正確的定標姿態(tài)。接通燈電流并等待燈穩(wěn)定后，通過光譜輻射計進行數(shù)據(jù)采集并計算出光譜定標系數(shù)。

光譜輻射計定標后，將待測標準燈安裝在變角輻射計的旋轉(zhuǎn)中心位置。運行變角輻射計的控制程序，使用光譜輻射計測量光源在(θ,φ)角處的光譜輻射照度值Eeλ(λ,θ,φ)。在完整測量全空間上的光譜輻射照度值后，導出總光譜輻射通量相對量值的計算式為：

(1)

式中:r是光源中心到虛擬球面的距離。

(3) 結(jié)合上述兩個步驟的測量結(jié)果Φv和Φr,eλ(λ)，計算出光源的總光譜輻射通量值Φeλ(λ)。計算式為：

Φeλ(λ)=ks·Φr,eλ(λ)=

(2)

式中:

ks是修正因子，確保通過總光譜輻射通量值計算出的總光通量值，與總光通量基準或標準裝置的測量值一致；Ir,eλ,s(λ)是定標光譜輻射計用的光譜輻射度標準燈的光譜輻射強度相對值，其可溯源至高溫黑體光譜輻射度國家基準；Rr,eλ,s(λ)是變角輻射計定標時，光譜輻射計測量光譜輻射照度標準燈的光譜輻照強度的相對讀數(shù)值；Rr,eλ(λ,θ,φ)是光譜輻射計測量光源(θ,φ)角處的光譜輻射強度的相對讀數(shù)值；Km是光譜光視效能最大值，為683 lm/W。

3 不確定度評定與分析

根據(jù)公式(2)對影響不確定度的因素進行分析，主要影響因素包括總光通量值、光譜輻射標準燈、光譜輻射計自身特性、變角輻射計(機械部分)和測量系統(tǒng)重復性等5項。需要注意的是，由于不同波長位置的變角輻射計響應(yīng)特性是相互有區(qū)別的，下面以380 nm波長位置為例簡單敘述不確定度評定的過程，其他波長可以此類推。

3.1 總光通量值的影響

總光通量值的影響可參考總光通量量值標定的基準或者工作標準的不確定度值。被測燈是采用工作標準裝置測量總光通量值。查閱相應(yīng)裝置的技術(shù)資料，可得u1=0.5%。

3.2 光譜輻射度標準燈的影響

光譜輻射度標準燈用于標定光譜輻射計的光譜響應(yīng)，可分為3項。

①光譜燈相對光譜輻射照度。本文中光譜輻射標準燈的不確定度是u21=0.5%。

②光譜標準燈姿態(tài)對定標系數(shù)的影響。通過實驗測試，標準燈俯仰調(diào)整± 5°或者左右旋轉(zhuǎn)± 5°，光譜形狀變化不超過0.1%，采用梯形分布假設(shè)，可得u22=0.05%。

③電源波動的影響。根據(jù)電源的等級以及經(jīng)驗，燈光譜形狀變化不超過0.02%，采用梯形分布假設(shè)，可得u23=0.01%。

3.3 光譜輻射計自身特性影響

光譜輻射計自身特性影響除了定標系數(shù)，還有自身因素的影響，可分為5項。

①波長位置重復偏差的影響。實驗測量光譜儀的波長重復性實驗標準差，乘靈敏度系數(shù)，即該波長位置上被測光源的光譜斜率，可得u31=0.07%。

②非線性的影響。實驗采用光學導軌法測量光譜法輻射計的非線性，可得u32=0.15%。

③內(nèi)部雜散光的影響。參考文獻[8]中實驗數(shù)值，使用500 nm的長波濾色片驗證，采用梯形分布假設(shè)，計算得u33=1.4%。

④光譜輻射計的穩(wěn)定性。根據(jù)經(jīng)驗可得u34=0.15%。

⑤光纖的扭曲引入的光譜變化，根據(jù)實驗測定和經(jīng)驗計算，可得u35=0.27%。

3.4 變角輻射計機械部分的影響

變角輻射計機械部分的影響可分為4項。

①雜散光。采用遮擋光源的方法評估其值不超過0.01%，可得u41=0.01%。

②變角輻射計的編碼器角度不準引起的偏差。由于被標定的燈是白熾燈，角度稍許偏離對光譜形狀影響不大，故根據(jù)經(jīng)驗可得u42=0.01%。

③變角輻射計的采樣方法引起的偏差[9]。本文中光源自轉(zhuǎn)角度(經(jīng)度)間隔是15°，旋轉(zhuǎn)臂(緯度)間隔是5°，根據(jù)經(jīng)驗認為u43=0.05%。

④被測燈的裝調(diào)位置的影響。當光源稍偏離中心位置時，偏離方向上左右半球讀數(shù)會相互補充，故根據(jù)經(jīng)驗可得u44=0.01%。

3.5 系統(tǒng)測量重復性

變角輻射計測量光源的相對總光譜輻射通量值的完整測量流程需耗時2～3 h。故測量一組燈，組內(nèi)每支標準燈測量2次。采用極差法合并燈組實驗標準差，得u5=0.54%。

同理可評定其他波長位置上導出量值的不確定度。表1列出了380～780 nm 中典型波長位置的總光譜輻射通量量值導出的不確定度。

4 小 結(jié)

研究了380～780 nm總光譜輻射通量量值導出的原理及不確定度評定?？偣庾V輻射通量量值導出基于測量燈的總光通量及用變角輻射計測量燈的光譜輻射強度相對分布?？偣馔坑嬃垦b置測量待標定標準燈的總光通量，變角輻射計測量標準燈的相對光譜輻射強度分布。對相光譜輻射強度分布積分可計算得到相對總光譜輻射通量值乘以修正因子導出總光譜輻射通量量值。修正因子由標準燈的總光通量確定。所導出的總光譜輻射通量量值保存在標準燈上，并溯源至總光通量國家基準和高溫黑體光譜輻射照度國家基準。

分析了總光譜輻射通量量值導出的不確定度主要5項影響因素, 通過計算得到擴展不確定度U=3.3%～1.6%，k=2。

表1 總光譜輻射通量量值導出的不確定度值 (%)

[參考文獻]

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