專利名稱：基于標準探測器的高精度輻亮度基準的實現方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于輻射度學之光輻射精確計量技術領域，具體涉及一種新型基于標準探測器的高精度輻亮度探測基準的實現裝置和方法。
背景技術：
到目前為止，輻亮度基準的實現通常采用的都是基于輻射源的方法。采用這種方法的初級標準是建立在絕對黑體理論基礎上，由普朗克定律確定的，在可見—短波紅外波段的工作標準是各種不確定度級別的輻亮度標準燈。根據普朗克黑體輻射定律，在某一特定波長上黑體的出射光譜輻亮度與黑體的溫度一一對應。現有輻亮度基準就是依據這個原理，通過精確測定黑體的溫度來建立輻亮度基準的。因此，在現有的基于高溫黑體(1500K～3200K)的輻亮度初級基準建立過程中，高溫黑體溫度的精確測定，是最主要的不確定因素。而事實上，高溫黑體溫度的測定，其技術難度較大，所需設備復雜，精度很難提高，因而現有的輻亮度初級基準，其絕對精度本身就不高，不確定度較大，約為1％～4％左右；經過多級標準傳遞，最終到達用戶的工作標準，其絕對精度更差，不確定度達到5％～10％左右。由于現有的輻亮度工作標準精度本身不高，限制了市面上各種型號光譜輻亮度計測量精度的進一步提高，使光譜輻亮度的計量和測量水平目前處于一個較低的層次，嚴重束縛了那些對輻亮度測量指標精度要求較高的行業發展的需求。
發明內容
本發明的目的，在于發明了一種新型基于標準探測器的高精度輻亮度探測基準的實現方法和裝置。輻射源的初級標準采用了當前世界上測量光輻射通量精度最高的裝置——低溫絕對輻射計，輻亮度的傳遞標準和工作標準都采用了基于硅陷阱探測器的濾光片式輻亮度計。該方法的精度遠優于現有的基于輻射源法，且由于標準的傳遞鏈較短，因而可以大大減小標準傳遞過程中的不確定因素。
本發明發明了一套實現輻亮度探測基準的新型裝置——多波段濾光片式輻亮度計。它采用了光陷阱結構的獨特設計，體積小，重量輕，結構緊湊，操作簡單，非常適合作為日常的輻亮度傳遞標準和工作標準使用。
一種可見光波段新型基于標準探測器的高精度輻亮度基準的實現方法，包括以下步驟(1)、設計一個多波段濾光片式輻亮度計，該濾光片式輻亮度計實際上由三部分組成圓筒形的光闌筒部分、Trap探測器部分和電路采集控制部分，(2)、在圓筒形的光闌筒內依次安裝視場光闌、去除雜散光光闌、孔徑光闌和窄帶干涉濾光片，然后將該光闌筒安裝在一箱體上，箱體靠近窄帶干涉濾光片一側安裝有一個多面體結構的Trap骨架，Trap骨架的緊貼光闌筒的面上留有一個圓形的光入射孔，其余三個面每個面上分別固定有一個硅光電二極管，設定這三個面分別為底面，左側面，右側面，這三個面的位置關系為光入射孔所在平面與底面垂面，右側面與光入射孔所在平面成45度夾角，且右側面與底面垂直，左側面與底面成45度夾角，左側面與光入射孔所在平面垂直，固定在Trap多面體骨架上的三個硅光電二極管在電路上采用并聯連接方式，三個并聯光電二極管所輸出的光電流信號，經前放電路作I-V變化和放大，轉變為電壓信號，再經信號調理電路預處理后送入由單片機系統控制的A/D轉換和信號處理單元部分，(3)、在(1)、(2)中所述的輻亮度計中的多面體結構Trap骨架及其后端的運放電路部分共同構成了一個光陷阱結構的Trap探測器；在可見光波段范圍內選定幾個波長激光，在各波長點上，利用低溫絕對輻射計和HP34970A 6.5位數字電壓表分別測量進入光陷阱結構Trap探測器的入射激光輻射通量和Trap探測器的輸出電壓信號，建立光陷阱結構Trap探測器在各個波長點上的輸入光輻射通量和其輸出電壓之間的一一對應關系，通過內差和外推，計算得到Trap探測器在整個可見光波段內的絕對光譜響應率；經過上述低溫絕對輻射計的絕對標定，Trap探測器就成為了一個光輻射功率標準探測器；(4)、根據輻射功率和輻射亮度的定義，輻射功率(輻射通量)φ是指單位時間dt通過某空間位置輻射能dQ，有φ＝dQ/dt；輻射亮度L是指離開、到達或者穿過某一表面單位立體角dΩ、單位投影面積dScosθ上的輻射通量dΦ，有L＝dΩ/dΩ·dS·cosθ；比較輻射通量和輻射亮度定義式的區別，可以看出，相對于輻射通量，輻射亮度的定義式中僅多了一個幾何因子(dΩ·dS·cosθ)，而該幾何因子實際上是由入射孔徑和立體角共同決定的；即，輻亮度的測量相對于輻射通量的測量僅多了一個由入射孔徑和立體角共同決定的幾何因子的精確測定；因此，在Trap光功率標準探測器入射光路前方引入一個能限制入射孔徑和立體角的圓筒形的光闌筒，并對該入射孔徑和立體角進行精確測定后，通過公式嚴格計算，就可使Trap光輻射功率標準探測器轉變為輻亮度標準探測器；(5)、在實測某朗伯特性目標時，通過溫控系統，將輻亮度標準探測器溫度控制在(3)中Trap光功率標準探測器相對于低溫輻射計作絕對功率標定時的溫度，至此，基于標準探測器的輻亮度標準建立完成。
通過自由更換不同中心波長的窄帶干涉濾光片，可構成不同中心波長的輻亮度探測基準。
所述的高精度輻亮度探測基準的實現裝置，其特征在于它包括去處雜散光光闌、精密溫度傳感器、視場光闌、孔徑光闌、窄帶干涉濾光片、VFD熒光數碼顯示屏、前面板按鍵鍵盤、RS232-C串行接口和基于光陷阱結構的Trap探測器。
Trap探測器核心部分采用了結構設計巧妙的光陷阱結構。這種設計結構，使得入射光在Trap內部經過多次反射吸收后，幾乎全部入射光都能被探測器接受完成光電轉換。且Trap探測器偏振非敏感，多次測量時不會因入射光的偏振態不同對測量結果產生影響。
所述的多波段濾光片式輻亮度計，設計有基于半導體致冷技術的精密恒溫控制系統。摒棄了傳統的溫控水套的方法，采用了半導體致冷器Peltier，數字溫度傳感器DS18B20。數字溫度傳感器DS18B20固定安裝在輻亮度計上，采用導熱硅膠粘接，輻亮度計與溫度傳感器以及Peltier之間用導熱環氧樹脂粘接或低溫焊料焊接。
所述的多波段濾光片式輻亮度計，具有友好的人機交換界面，可以設置為遠程計算機自動控制模式或本地工作模式。帶有掉電非易失性存儲器，當設置為自動測量狀態時，本發明的輻亮度計可自動完成采集測量，結果存儲于片上存儲器中，測量結束后可通過RS232C串口傳入上位PC機進行后期的數據統計分析處理。
本發明輻射源的初級基準采用了當前世界上測量光輻射通量精度最高的裝置——低溫絕對輻射計。低溫絕對輻射計利用電替代原理測量光輻射的絕對功率。入射光使輻射計內部接收腔的溫度升高，達到熱平衡后擋住入射光，用電加熱產生同樣溫升所需要的電功率即等于實際的入射光功率，其中溫度和電加熱功率分別用鍺電阻溫度計和電橋精密測量。輻射計內部錐管形的接收腔內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。腔體處于液氮(77K)和液氦(4.2K)雙層冷屏蔽下，隔絕了環境熱輻射，也使光和電加熱過程達到極高的等效性。低溫下導線及接頭均處于超導狀態，其歐姆損耗可以忽略。低溫輻射計的上述設計特點使其用于光輻射測量的精度非常高，測量不確定度可達到0.01％。
本發明的多波段濾光片式輻亮度計，其特征在于采用了光陷阱的獨特結構設計。這種光陷阱設計結構采用三片平面型硅光電二極管，根據鏡反射原理使入射到第一塊硅光電二極管上的反射光打到第二塊硅光電二極管，第二塊硅光電二極管上的反射光再打到第三塊硅光電二極管上，而第三塊硅光電二極管上的反射光再循原路返回到第二塊硅光電二極管上并由此在第二塊硅光電二極管上產生的反射光再打到第一塊硅光電二極管上。這樣，在每塊硅光電二極管上因反射而損失掉的部分光線將被下一塊硅光電二極管所接收，依次類推。原理如下對于單個硅光電二極管，有If＝η(1-ρ)(λe/hc)·P故，光陷阱結構中有If＝[η1(1-ρ1)+η2ρ2(1-ρ1)+η3ρ1ρ2(1-ρ3)+η2ρ1ρ2ρ3(1-ρ2)+η1ρ1ρ2ρ2ρ3(1-ρ1)]·(λe/h c)·P式中If為光生電流；P為入射光功率；λ為入射光波長；h為Plank常數；c為真空光速；η1、η2、η3分別為1#、2#、3#硅光電二極管的內量子效率；ρ1、ρ2是入射角為45°時1#、2#光電二極管的反射率，ρ3為垂直入射時3#光電二極管的反射率。
事實上，由于采用的是同種型號的光電二極管，故有η1＝η2＝η3和ρ1＝ρ2＝ρ3，則上式可簡化為If＝η(1-ρ5)(λe/hc)·P這樣就形成了一個光陷阱，與單片硅光電二極管相比，其表面反射率大大降低了，同時，該三片式結構也能大大降低單一器件對輻射的偏振敏感性，即最大限度地降低硅光電二極管探測器件表面反射率因入射角的不同對測量所帶來的影響和偏振敏感性引起的輻射測量的不確定因素，從而可以大大提高測量精度。
本發明的濾光片式輻亮度計，其分光元件采用了窄帶干涉濾光片，裝配結構采用了便于更換不同中心波長濾光片的設計結構。對所需的不同波段，可以通過更換不同中心波長的濾光片來實現。
由于濾光片的中心波長、透過率等關鍵參數會隨環境溫度的變化發生漂移而導致輻亮度計的測量精度降低，故本發明的濾光片式輻亮度計，設計了完備的智能型溫度監測和控制系統，它可以對濾光片實現精密恒溫控制。
本發明的濾光片式輻亮度計，設計有友好的人機交互界面和RS232C計算機串行接口。其前面板上的小鍵盤，用于輸入有關設置參數；高亮度真空熒光顯示屏VFD，用于實時顯示操作提示信息、工作狀態信息及測量結果。該輻亮度計可設置為本地工作模式或計算機遠程控制模式。
圖1為本發明的輻亮度標準傳遞鏈示意圖。
圖2為本發明的光陷阱結構示意圖。
圖3為本發明的多波段濾光片式輻亮度計結構示意圖。
圖4為多波段濾光片式輻亮度計溫控系統圖。
具體實施例方式
參見圖1、圖2、圖3、圖4。
本發明的新型基于標準探測器的高精度輻亮度標準實現方法如圖1所示。低溫輻射計是目前世界上測量光輻射功率絕對精度最高的裝置。本發明方法中以它作為光輻射通量計量的初級基準。由于低溫絕對輻射計造價昂貴，體積較大，操作運行較為復雜，不便于作為日常的工作標準加以使用，因而本發明又設計研制了基于光陷阱結構的Trap探測器，它性能優越，體積小，使用簡單方便，長期穩定性好，非常適合作為傳遞標準使用。在可見光波段，采用不同波長的激光，對Trap探測器的響應相對于低溫絕對輻射計進行絕對量定標，然后基于Trap探測器的光譜響應曲線，通過外推和內差算法，即可計算得到Trap探測器在可見光范圍整個連續波段上的絕對光譜響應率。這樣Trap探測器就成為了一個能夠用于光輻射通量絕對量測量的光通量標準探測器，完成了圖1中所示的低溫絕對輻射計到Trap標準探測器的標準傳遞。
本發明的多波段濾光片式輻亮度計如圖3所示。其中，1、去除雜散光光闌，2、精密溫度傳感器，3、視場光闌，4、孔徑光闌，5、窄帶干涉濾光片，6、VFD熒光數碼顯示屏，7、前面板按鍵，8、RS232-C串行接口，9、光陷阱結構的Trap探測器。
根據定義，輻亮度L是指離開、到達或穿過某一表面單位立體角dΩ、單位投影面積上dScosθ的輻射通量dΩ，有L=dΦdΩdScosθ]]>根據以上定義式，要精確測定到達Trap探測器入瞳處的輻亮度，則需要知道進入Trap探測器入瞳的輻射通量dΦ，立體角dΩ和投影面積dScosθ。由于Trap探測器相對于低溫絕對輻射計，已做了絕對輻射定標，其絕對光譜響應率已知，在測量得到Trap探測器的輸出電壓信號后，根據其絕對光譜響應率可以計算得知Trap探測器入瞳處的輻射通量dΦ。本設計中的立體角dΩ和投影面積dScosθ是通過視場光闌，孔徑光闌，以及兩者之間的距離等幾何因子最終共同確定的，因而在精確測量了視場光闌、孔徑光闌以及兩者的之間的距離后，就可以計算得知立體角dΩ以及投影面積dScosθ。這樣，已知dΦ、dΩ以及dScosθ后，根據以上輻亮度的定義式即可精確計算得到Trap探測器入瞳處的輻亮度值。
以上公式給出的是波段不受任何約束的全波段范圍內的輻亮度定義，而實際應用中，往往需要知道的是某一特定波長在一定帶寬范圍內的光譜輻亮度，因而還需要考慮波長和帶寬因素。
本發明中采用了窄帶干涉濾光片作為光學系統的分光元件，來限定波長位置和帶寬。這樣，在精確測定了濾光片的光譜透過率和帶寬后，結合以上得到的輻亮度值即可計算得到某一特定波長的光譜輻亮度。多波段輻亮度計成為了一個能夠用于光譜輻亮度精確計量的輻亮度探測基準。
至此，就實現了圖1所示的從Trap標準探測器到多波段輻亮度計的標準傳遞過程，其實質是實現了從光輻射通量基準到光譜輻亮度基準的傳遞和轉換，建立了新型的基于標準探測器的輻亮度探測基準。
本發明采用多波段輻亮度計所實現的輻亮度探測基準，絕對精度高，不確定度優于1％，該標準性能非常穩定，便于保存。本發明的多波段濾光片式輻亮度計，其結構如圖3所示，由三部分組成圓筒形的光闌筒部分、Trap探測器部分和電路采集控制部分。圓筒形的光闌筒內依次安裝有視場光闌3、去除雜散光光闌1、孔徑光闌4和窄帶干涉濾光片5，然后將該光闌筒安裝在一箱體上，箱體靠近窄帶干涉濾光片一側安裝有一個多面體結構的Trap骨架9，Trap骨架的緊貼光闌筒的面上留有一個圓形的光入射孔14，其余三個面每個面上分別固定有一個硅光電二極管。光入射孔14所在平面與底面15垂面，右側面16與光入射孔14所在平面成45度夾角，且右側面16與底面15垂直，左側面17與底面15成45度夾角，左側面17與光入射孔14所在平面垂直，固定在Trap多面體骨架上的三個硅光電二極管在電路上采用并聯連接方式，三個并聯光電二極管所輸出的光電流信號，經前放電路作I-V變化和放大，轉變為電壓信號，再經信號調理電路預處理后送入由單片機系統控制的A/D轉換和信號處理單元部分，進而完成信號的采集、輻亮度絕對量值計算、存儲及測量結果的實時顯示等功能。本發明的多波段濾光片式輻亮度計設計有前面板按鍵和VFD高亮度熒光數碼顯示屏，用于輸入用戶設置參數和實時顯示測量結果。在本地自動測量模式時，系統可將測量結果存儲于掉電非易失性存儲器中，測量結束后可通過RS232C串口上傳至PC機進行后期數據的統計分析處理。
本發明的多波段濾光片式輻亮度計，配備有窄帶干涉濾光片。實驗研究表明，濾光片的性能參數會隨環境溫度起伏發生較大變化，是影響多波段濾光片式輻亮度計絕對精度的關鍵因素。考慮到多波段濾光片式輻亮度計在不同環境溫度中作為日常輻亮度探測標準使用時，其精度應該不受環境溫度影響，本發明設計了精密溫控系統，來對濾光片進行恒溫控制，從而使得濾光片的溫度始終被控制在其相對于低溫絕對輻射計作絕對響應定標時的溫度。本發明的精密溫控系統如圖4所示，包括多波段濾光片式輻亮度計10，固定在濾光片式輻亮度計上面的數字溫度傳感器DS18B20 11，與濾光片式輻亮度計相連的半導體熱電致冷器Peltier 12，散熱器13，與數字溫度傳感器輸出端相連的智能溫控電路以及人機接口電路。
本實施的濾光片式輻亮度計與DS18B20溫度傳感器之間以及濾光片式輻亮度計與Peltier之間都必須保持良好的鋼性熱接觸，這樣才能達到理想的控溫效果。實際連接中可以采用導熱硅膠粘接或采用夾具連接的方式。當采用粘接方式時，輻亮度計與溫度傳感器以及Peltier之間可用導熱環氧樹脂粘接或低溫焊料焊接；當采用夾具連接時，輻亮度計與溫度傳感器以及Peltier之間都需要均勻涂抹導熱硅膠，以降低接觸面的熱阻。
本發明中用于加熱或致冷操作的器件采用了半導體熱電致冷器Peltier，它是基于Peltier效應的多對熱電致冷對在電氣上串聯、在熱傳導上并聯組成的。通過改變加在器件上的直流電的極性即可變致冷為加熱，而吸熱或放熱率則正比于所加直流電流的大小。由于Peltier既可實現加熱又可進行致冷，且體積小巧，使用簡捷方便，特別適合于小熱量和受空間限制的精密儀器儀表的溫度控制。
本發明的基于標準探測器的高精度輻亮度探測基準的實現方法和裝置，在絕對精度和長期穩定性等關鍵性能指標上，具有傳統的基于輻射源法所無法比擬的優勢，是一套全新的輻射度學計量基準的建立思路和方法。
權利要求
1.一種基于標準探測器的高精度輻亮度基準的實現方法，包括以下步驟(1)、設計一個多波段濾光片式輻亮度計，該濾光片式輻亮度計實際上由三部分組成圓筒形的光闌筒部分、Trap探測器部分和電路采集控制部分，(2)、在圓筒形的光闌筒內依次安裝視場光闌、去除雜散光光闌、孔徑光闌和窄帶干涉濾光片，然后將該光闌筒安裝在一箱體上，箱體靠近窄帶干涉濾光片一側安裝有一個多面體結構的Trap骨架，Trap骨架的緊貼光闌筒的面上留有一個圓形的光入射孔，其余三個面每個面上分別固定有一個硅光電二極管，設定這三個面分別為底面，左側面，右側面，這三個面的位置關系為光入射孔所在平面與底面垂面，右側面與光入射孔所在平面成45度夾角，且右側面與底面垂直，左側面與底面成45度夾角，左側面與光入射孔所在平面垂直，固定在Trap多面體骨架上的三個硅光電二極管在電路上采用并聯連接方式，三個并聯光電二極管所輸出的光電流信號，經前放電路作I-V變化和放大，轉變為電壓信號，再經信號調理電路預處理后送入由單片機系統控制的A/D轉換和信號處理單元部分，(3)、在(1)、(2)中所述的輻亮度計中的多面體結構Trap骨架及其后端的運放電路部分共同構成了一個光陷阱結構的Trap探測器；在可見光波段范圍內選定幾個波長激光，在各波長點上，利用低溫絕對輻射計和HP34970A6.5位數字電壓表分別測量進入光陷阱結構Trap探測器的入射激光輻射通量和Trap探測器的輸出電壓信號，建立光陷阱結構Trap探測器在各個波長點上的輸入光輻射通量和其輸出電壓之間的一一對應關系，通過內差和外推，計算得到Trap探測器在整個可見光波段內的絕對光譜響應率；經過上述低溫絕對輻射計的絕對標定，Trap探測器就成為了一個光輻射功率標準探測器；(4)、根據輻射功率和輻射亮度的定義，輻射功率(輻射通量)φ是指單位時間dt通過某空間位置輻射能dQ，有φ＝dQ/dt；輻射亮度L是指離開、到達或者穿過某一表面單位立體角dΩ、單位投影面積dScosθ上的輻射通量dФ，有L＝dφ/dΩ·dS·cosθ；比較輻射通量和輻射亮度定義式的區別，可以看出，相對于輻射通量，輻射亮度的定義式中僅多了一個幾何因子(dΩ·dS·cosθ)，而該幾何因子實際上是由入射孔徑和立體角共同決定的；即，輻亮度的測量相對于輻射通量的測量僅多了一個由入射孔徑和立體角共同決定的幾何因子的精確測定；因此，在Trap光功率標準探測器入射光路前方引入一個能限制入射孔徑和立體角的圓筒形的光闌筒，并對該入射孔徑和立體角進行精確測定后，通過公式嚴格計算，就可使Trap光輻射功率標準探測器轉變為輻亮度標準探測器；(5)、在實測某朗伯特性目標時，通過溫控系統，將輻亮度標準探測器溫度控制在(3)中Trap光功率標準探測器相對于低溫輻射計作絕對功率標定時的溫度，至此，基于標準探測器的輻亮度標準建立完成。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于通過自由更換不同中心波長的窄帶干涉濾光片，可構成不同中心波長的輻亮度探測基準。
3.根據權利要求1所述的高精度輻亮度基準的實現裝置，其特征在于它包括去處雜散光光闌、精密溫度傳感器、視場光闌、孔徑光闌、窄帶干涉濾光片、VFD熒光數碼顯示屏、前面板按鍵鍵盤、RS232-C串行接口和基于光陷阱結構的Trap探測器。
全文摘要
本發明涉及一種可見光波段新型基于標準探測器的高精度輻亮度基準的實現方法和裝置。本發明以低溫輻射計作為光輻射通量計量的初級基準，采用了基于光陷阱結構的多波段濾光片式輻亮度計，實現了低溫絕對輻射計到Trap標準探測器的標準傳遞。本發明的多波段濾光片式輻亮度計結構緊湊、長期穩定性高，設計有精密恒溫控制系統，可用于不同的環境溫度中而測量精度不會降低，非常適合作為輻亮度的實驗室基準加以長期保存或作為日常的工作標準加以使用，非常方便。可大大降低現有的輻亮度基準的不確定度，為輻射度學高精度計量基準的建立提供了一套全新的思路和方法。
文檔編號G01J1/00GK1657887SQ20051003766
公開日2005年8月24日 申請日期2005年1月8日 優先權日2005年1月8日
發明者李照洲, 鄭小兵, 吳浩宇 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
