輻射測(cè)量的基本儀器PPT課件

1、光輻射測(cè)量中，在光度導(dǎo)軌上用標(biāo)準(zhǔn)光源來(lái)標(biāo)定待測(cè)光源、探測(cè)器和光輻射測(cè)量系統(tǒng)，仍是最常用而且精確、可靠的裝置之一。光度導(dǎo)軌和一般導(dǎo)軌的主要區(qū)別在于：有精確的軸向距離刻度和標(biāo)尺第1頁(yè)/共89頁(yè)有精確的軸向距離刻度和標(biāo)尺；有精確的軸向距離刻度和標(biāo)尺；1）可使部件之間軸向相對(duì)位置對(duì)準(zhǔn)，并在其相對(duì)移動(dòng)時(shí)保持對(duì)準(zhǔn)關(guān)系；）可使部件之間軸向相對(duì)位置對(duì)準(zhǔn)，并在其相對(duì)移動(dòng)時(shí)保持對(duì)準(zhǔn)關(guān)系；2）精確確定測(cè)量部件之間的軸向距離。）精確確定測(cè)量部件之間的軸向距離。第2頁(yè)/共89頁(yè)光度導(dǎo)軌的主要功能：保持軸向?qū)?zhǔn)保持軸向?qū)?zhǔn)精確確定軸向距離精確確定軸向距離獲得近似朗伯源獲得近似朗伯源使兩個(gè)或多個(gè)部件之間軸向的相對(duì)位置對(duì)準(zhǔn)，

2、并在使兩個(gè)或多個(gè)部件之間軸向的相對(duì)位置對(duì)準(zhǔn)，并在其相對(duì)移動(dòng)時(shí)保持對(duì)準(zhǔn)關(guān)系。其相對(duì)移動(dòng)時(shí)保持對(duì)準(zhǔn)關(guān)系。 精確地確定測(cè)量部件之間的軸向距離，以便用輻照精確地確定測(cè)量部件之間的軸向距離，以便用輻照度平方反比定律連續(xù)、精確地改變某一平面處的輻度平方反比定律連續(xù)、精確地改變某一平面處的輻照度照度(照度照度)。 用光源加上相距一定距離的透射用光源加上相距一定距離的透射 漫射屏，可得到透射、漫射屏，可得到透射、漫射特性近似朗伯的均勻輻亮度源。改變光源至屏的距漫射特性近似朗伯的均勻輻亮度源。改變光源至屏的距離，光源的輻亮度值可連續(xù)、精確地變化。離，光源的輻亮度值可連續(xù)、精確地變化。 光度導(dǎo)軌的特點(diǎn)是其它方法(

3、如加中性密度濾光片改變光闌孔徑等)不能或不能精確實(shí)現(xiàn)的。由于在光度導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)的參數(shù)是距離，不會(huì)改變光源的光譜分布(不考慮中間大氣的影響)，而一般加入光闌等很難同時(shí)做到精確又連續(xù)可調(diào)。第3頁(yè)/共89頁(yè)導(dǎo)軌上裝有數(shù)個(gè)帶距離精細(xì)刻度的滑動(dòng)架或滑動(dòng)車(chē)，以便和導(dǎo)軌上的距離刻尺對(duì)準(zhǔn)，提高距離讀數(shù)的精度。為了增加垂直測(cè)量平面上輻照度等的變化范圍，減少距離誤差對(duì)測(cè)量的影響，光度導(dǎo)軌應(yīng)盡可能長(zhǎng)。第4頁(yè)/共89頁(yè)例如，有效工作長(zhǎng)度為3m的光度導(dǎo)軌，若其最近工作距離為0.3m，則輻照度可連續(xù)變化100倍；6m有效工作長(zhǎng)度的光度導(dǎo)軌則可使輻照度等連續(xù)變化400倍。由于輻照度和距離的平方成反比例，所以距離精度將直接影響

4、輻照度的測(cè)量精度。 第5頁(yè)/共89頁(yè)在光度導(dǎo)軌上測(cè)量時(shí)，光源至待測(cè)平面的最近工作距離在光度導(dǎo)軌上測(cè)量時(shí)，光源至待測(cè)平面的最近工作距離取決于用平方反比定律計(jì)算輻照度的允許誤差，可根據(jù)取決于用平方反比定律計(jì)算輻照度的允許誤差，可根據(jù)允許的相對(duì)距離誤差允許的相對(duì)距離誤差 和光源的尺寸確定最近工作距離。和光源的尺寸確定最近工作距離。要使距離引起的輻照度測(cè)量誤差小于要使距離引起的輻照度測(cè)量誤差小于0.2%0.2%，由輻照度和，由輻照度和距離的平方關(guān)系，則理論上距離測(cè)量誤差就應(yīng)小于距離的平方關(guān)系，則理論上距離測(cè)量誤差就應(yīng)小于0.1%0.1%，實(shí)際距離測(cè)量精度就應(yīng)好于實(shí)際距離測(cè)量精度就應(yīng)好于0.050.05

5、，即，即1m1m測(cè)量距離的距測(cè)量距離的距離誤差小于離誤差小于0.5mm0.5mm。更近的測(cè)量距離要求距離精度更高，。更近的測(cè)量距離要求距離精度更高，故建議實(shí)際使用上測(cè)量距離至少應(yīng)大于故建議實(shí)際使用上測(cè)量距離至少應(yīng)大于0.5m0.5m。 相對(duì)距離誤差第6頁(yè)/共89頁(yè) 要保持待測(cè)表面的距離指標(biāo)在同一垂直平面內(nèi)，或者要保持待測(cè)表面的距離指標(biāo)在同一垂直平面內(nèi)，或者有一已知的精確距離。有一已知的精確距離。 一般可用一專(zhuān)用的距離規(guī)一般可用一專(zhuān)用的距離規(guī)( (圖圖6-1)6-1)。圖中。圖中l(wèi) l是兩孔垂直是兩孔垂直細(xì)絲的連線到尖端細(xì)絲的連線到尖端A A的距離，可精確測(cè)定。當(dāng)兩細(xì)絲的連的距離，可精確測(cè)定。當(dāng)

6、兩細(xì)絲的連線和燈絲工作表面線和燈絲工作表面( (例如鎢帶燈例如鎢帶燈) )共線時(shí)，可由共線時(shí)，可由A A點(diǎn)作為燈點(diǎn)作為燈絲位置距離測(cè)量的基準(zhǔn)。絲位置距離測(cè)量的基準(zhǔn)。 此外，燈絲平面、待測(cè)表面應(yīng)垂直測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的光此外，燈絲平面、待測(cè)表面應(yīng)垂直測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的光軸，微量的不垂直有時(shí)會(huì)因光源的非朗伯輻射特性而造成軸，微量的不垂直有時(shí)會(huì)因光源的非朗伯輻射特性而造成一定距離處輻照度的測(cè)量誤差。一定距離處輻照度的測(cè)量誤差。 圖6-1 距離規(guī)第7頁(yè)/共89頁(yè)圖6-2 光度導(dǎo)軌上標(biāo)定待測(cè)光源的裝置 標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源分別裝在左、右滑車(chē)上，標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源分別裝在左、右滑車(chē)上，光度導(dǎo)軌中間的滑車(chē)上裝有目視光度

7、計(jì)。通過(guò)調(diào)節(jié)光度導(dǎo)軌中間的滑車(chē)上裝有目視光度計(jì)。通過(guò)調(diào)節(jié)它們的高低、方向，使兩光源燈絲表面與目視光度它們的高低、方向，使兩光源燈絲表面與目視光度計(jì)測(cè)量光軸垂直，這樣，來(lái)自?xún)晒庠吹墓鈴哪恳暪庥?jì)測(cè)量光軸垂直，這樣，來(lái)自?xún)晒庠吹墓鈴哪恳暪舛扔?jì)兩側(cè)進(jìn)入，并在其觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)合一。度計(jì)兩側(cè)進(jìn)入，并在其觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)合一。 第8頁(yè)/共89頁(yè)圖6-3 Lummer - Brodhun目視光度計(jì)的結(jié)構(gòu) 圖6-4 光度計(jì)兩側(cè)反差隨LA/LB的曲線 圖6-2 光度導(dǎo)軌上標(biāo)定待測(cè)光源的裝置 第9頁(yè)/共89頁(yè)10中文名稱(chēng)：積分球 英文名稱(chēng)：integrating sphere 定義：光度測(cè)用的中空球體。在球的內(nèi)表面涂有無(wú)波長(zhǎng)

8、選擇性的(均勻)漫反射性的白色涂料。在球內(nèi)任一方向上的照度均相等。 integrating sphere 第10頁(yè)/共89頁(yè)E2與面元2在球內(nèi)的位置無(wú)關(guān)，即球內(nèi)任一面元發(fā)出的福通量在球內(nèi)各內(nèi)表面形成的輻照度值正好等于該輻射通量除以球的內(nèi)表面面積。 圖圖4-7 積分球內(nèi)任一面元積分球內(nèi)任一面元的直射輻照度的直射輻照度 第11頁(yè)/共89頁(yè)理想積分球的條件：積分球的內(nèi)表面為一完整的幾何球面,半徑處處相等球內(nèi)壁是中性均勻漫射面，對(duì)各種波長(zhǎng)的入射光線具有相同的漫反射比球內(nèi)沒(méi)有任何物體,光源也看作只發(fā)光而沒(méi)有實(shí)物的抽象光源n理想積分球理想積分球第12頁(yè)/共89頁(yè) 第13頁(yè)/共89頁(yè)積分球（光通球或球形光度

9、計(jì)）結(jié)構(gòu)：內(nèi)部空的完整球殼,內(nèi)壁涂白色的漫射層球直徑按待測(cè)燈尺寸和功率大小而定,直徑D=1m、2m、3m等球壁上開(kāi)一小窗口,其直徑dr(燈的尺寸）球上開(kāi)一個(gè)小門(mén),或打開(kāi)個(gè)口方便裝取燈,有接線架、燈頭、擋屏等 n理想積分球理想積分球第14頁(yè)/共89頁(yè) 第15頁(yè)/共89頁(yè)圖圖6-6 積分球內(nèi)任一積分球內(nèi)任一點(diǎn)的輻照度點(diǎn)的輻照度 /AALE0222444AdAdAdddELRRdAR 設(shè)有一束入射輻射通量照在積分球內(nèi)表面設(shè)有一束入射輻射通量照在積分球內(nèi)表面A A上上( (如圖如圖6-6), 6-6), 這里分這里分析不在析不在A A處的某一表面元處的某一表面元dAdA 上的輻照度值上的輻照度值E E

10、 。當(dāng)積分球內(nèi)壁涂以反射。當(dāng)積分球內(nèi)壁涂以反射比為比為 具有朗伯漫射特性的涂料，表面具有朗伯漫射特性的涂料，表面A A上某一面元上某一面元dAdA的反射輻亮度的反射輻亮度LALA和它的輻照度和它的輻照度EAEA之間存在著關(guān)系：之間存在著關(guān)系：球內(nèi)表面某一面元球內(nèi)表面某一面元d dA A 上的輻照度上的輻照度d dE E0 0為為第16頁(yè)/共89頁(yè)002244EdEdRR 002244EdAdELdARR 入射輻射通量入射輻射通量 經(jīng)表面經(jīng)表面A A漫射在漫射在dAdA 上的一次漫上的一次漫射輻照度射輻照度d dA A 上的總輻照度除由表面上的總輻照度除由表面A A直接漫射光對(duì)它的輻照度貢獻(xiàn)外，

11、還有表直接漫射光對(duì)它的輻照度貢獻(xiàn)外，還有表面面A A照到球內(nèi)其它部分照到球內(nèi)其它部分( (如圖中如圖中d dA A 等等) )，再由其部分漫射到，再由其部分漫射到d dA A 的二次漫的二次漫射輻照度射輻照度d dE E L 是面元是面元d dA A 的反射輻亮度；面的反射輻亮度；面A A對(duì)對(duì)d dA A 的一次漫射輻照度貢獻(xiàn)也是的一次漫射輻照度貢獻(xiàn)也是E E0 0。圖圖6-6 積分球內(nèi)任一積分球內(nèi)任一點(diǎn)的輻照度點(diǎn)的輻照度 第17頁(yè)/共89頁(yè)圖圖6-6 積分球內(nèi)任一積分球內(nèi)任一點(diǎn)的輻照度點(diǎn)的輻照度 00(1)nniiiiiff考慮到積分球可能有幾個(gè)樣品、探測(cè)器等的開(kāi)考慮到積分球可能有幾個(gè)樣品、

12、探測(cè)器等的開(kāi)孔，第孔，第i i個(gè)孔的反射比為個(gè)孔的反射比為 i i，開(kāi)口面積和球內(nèi)表，開(kāi)口面積和球內(nèi)表面積之比稱(chēng)為開(kāi)口系數(shù)面積之比稱(chēng)為開(kāi)口系數(shù)f fi i。故積分球壁的平均。故積分球壁的平均反射比反射比20000022444sEEEdEdARERR 式中，式中，s是積分球內(nèi)表面面積的總和。是積分球內(nèi)表面面積的總和。第18頁(yè)/共89頁(yè)圖圖6-6 積分球內(nèi)任一積分球內(nèi)任一點(diǎn)的輻照度點(diǎn)的輻照度 2000021141EEEEER00,niif241ER可寫(xiě)出由表面可寫(xiě)出由表面A的反射輻亮度經(jīng)球內(nèi)三次、的反射輻亮度經(jīng)球內(nèi)三次、四次、四次、N次次(N )對(duì)對(duì)dA 輻照度的貢獻(xiàn)分輻照度的貢獻(xiàn)分別為別為 2E

13、0、 3E0 、 ,故故dA 上的總輻照度上的總輻照度當(dāng)光源在積分球內(nèi)，積分球是個(gè)完整漫射球表面時(shí)，當(dāng)光源在積分球內(nèi)，積分球是個(gè)完整漫射球表面時(shí)，由于光輻射探測(cè)器是對(duì)輻照度的響應(yīng)，當(dāng)它放在球內(nèi)某一表面處時(shí)，其由于光輻射探測(cè)器是對(duì)輻照度的響應(yīng)，當(dāng)它放在球內(nèi)某一表面處時(shí)，其輸出信號(hào)值就能表示入射到積分球內(nèi)的輻射通量值；而當(dāng)光源在球內(nèi)時(shí)，輸出信號(hào)值就能表示入射到積分球內(nèi)的輻射通量值；而當(dāng)光源在球內(nèi)時(shí)，該信號(hào)值表示光源在該信號(hào)值表示光源在4 立體角內(nèi)的總輻射通量。立體角內(nèi)的總輻射通量。第19頁(yè)/共89頁(yè)使用注意事項(xiàng)：球內(nèi)遮擋屏與物球內(nèi)遮擋屏與物球內(nèi)有遮擋屏和物球內(nèi)有遮擋屏和物(如光源等如光源等)會(huì)使積

14、分球?qū)嶋H工作狀況偏會(huì)使積分球?qū)嶋H工作狀況偏離理想球。增大球的尺寸，可相對(duì)地減少遮蔽屏和物的影離理想球。增大球的尺寸，可相對(duì)地減少遮蔽屏和物的影響。遮蔽屏應(yīng)當(dāng)涂上和積分球內(nèi)表面相同的涂層材料。響。遮蔽屏應(yīng)當(dāng)涂上和積分球內(nèi)表面相同的涂層材料。 如果球內(nèi)有吸收光的表面，例如燈泡泡殼，則應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足如果球內(nèi)有吸收光的表面，例如燈泡泡殼，則應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足積分球內(nèi)表面面積吸收表面的吸收比有吸收物體的表面積積分球涂層的吸收比第20頁(yè)/共89頁(yè)使用注意事項(xiàng)：涂層的光譜反射比值對(duì)積分球出射光的光譜特性有很大的涂層的光譜反射比值對(duì)積分球出射光的光譜特性有很大的影響影響，涂層涂層2( )( )( )41( )ER ( )1(

15、 )( )1( )( )EE 若設(shè) ( )=0.98，照度的相對(duì)變化率約為反射比相對(duì)變化的50倍。即涂層材料光譜反射比的少量變化，會(huì)引起出射輻照度相當(dāng)大的變化。為此，應(yīng)當(dāng)選用光譜反射比近似平且朗伯漫射特性好的材料作為涂層。常用的有硫酸鋇、氧化鎂、海倫(聚四氟乙烯)等，其光譜反射特性在可見(jiàn)光和近紅外相當(dāng)平坦，漫射特性在小于60以?xún)?nèi)很好，反射比高達(dá)0.98以上。 第21頁(yè)/共89頁(yè)使用注意事項(xiàng)：涂層涂層積分球和探測(cè)器與光源一起工作時(shí)，應(yīng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮其光譜特性。要求高的涂層反射比主要是為了增加出射窗處的輻亮度值，因?yàn)榉e分球出射窗處的輻照度值和球半徑的平方成反比，球較大時(shí)，輻照度值將相當(dāng)?shù)?。?dāng)出

16、射窗的輻照度要求不強(qiáng)，而要求輻照度的時(shí)間穩(wěn)定性好時(shí)，可用反射比較低的涂層。這時(shí)涂層反射比的變化，球內(nèi)臟物對(duì)輻照度值的影響就較小。當(dāng)積分球工作在中遠(yuǎn)紅外譜段時(shí)，由于硫酸鋇等在波長(zhǎng)大于2.5 m時(shí), 反射比下降很快，因此用作涂層材料性能較差。硫是一種較理想的紅外漫射材料，在312 m的平均反射比高達(dá)0.94，只是在11.8 m處有一吸收帶, 其朗伯漫射特性和硫酸鋇等相近(圖6-7)。 圖6-7 硫的光譜反射比及漫射特性 第22頁(yè)/共89頁(yè)使用注意事項(xiàng)：出射窗口出射窗口出射窗應(yīng)當(dāng)選用無(wú)選擇性的透明材料。窗的位置離開(kāi)球表面(圖6-8)會(huì)使部分球面積的光不能進(jìn)入出射窗。因?yàn)閷?shí)際積分球的工作特性并非理想，

17、出射窗處的輻照度也不是完全均勻，因此，出射窗口的尺寸和積分球應(yīng)當(dāng)有一定的比例。經(jīng)驗(yàn)表明，如果要保證出射窗輻照度均勻性在1左右，則出射窗的直徑最好不大于球直徑的1/10。圖6-9是用作定標(biāo)源的積分球在出射窗口的輻亮度相對(duì)分布(積分球的直徑為0.76m，出射窗直徑是0.3m)。可以看出，相對(duì)輻亮度分布差異可達(dá)2.6。 圖6-8 窗的位置及影響圖6-9 某定標(biāo)積分球出射窗口的輻亮度相對(duì)分布第23頁(yè)/共89頁(yè)典型的積分球第24頁(yè)/共89頁(yè)恒溫積分球直徑： 1.5m、2.0m球內(nèi)控溫精度（與球心在同一水平面并距球壁約10cm處的球內(nèi)空氣溫度）：1第25頁(yè)/共89頁(yè)可旋轉(zhuǎn)積分球第26頁(yè)/共89頁(yè)6.3 6

18、.3 單色儀單色儀 單色儀的構(gòu)思萌芽可以追述到1666年，牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)將太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡太陽(yáng)光分解為七色光。1814年夫瑯和費(fèi)設(shè)計(jì)了包括狹縫、棱鏡和視窗的光學(xué)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的吸收譜線（夫瑯和費(fèi)譜線）。1860年克?；舴蚝捅旧鸀檠芯拷饘俟庾V設(shè)計(jì)成較完善的現(xiàn)代光譜儀光譜學(xué)誕生。由于棱鏡光譜是非線性的，人們開(kāi)始研究光柵光譜儀。光柵單色儀是用光柵衍射的方法獲得單色光的儀器，它可以從發(fā)出復(fù)合光的光源（即不同波長(zhǎng)的混合光的光源）中得到單色光，通過(guò)光柵一定的偏轉(zhuǎn)的角度得到某個(gè)波長(zhǎng)的光，并可以測(cè)定它的數(shù)值和強(qiáng)度。因此可以進(jìn)行復(fù)合光源的光譜分析。 第27頁(yè)/共89頁(yè) 單色儀用來(lái)將具有寬譜段輻射

19、的光源分成一系列譜線很窄的單色光，因而它既可作為一個(gè)可調(diào)波長(zhǎng)的單色光源，也可作為分光器。 單色儀是利用色散元件(棱鏡、光柵等)對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同色散角的原理，將光輻射能的光譜在空間分開(kāi)，并由入射狹縫和出射狹縫的配合，在出射狹縫處得到所要求的窄譜段光譜輻射。第28頁(yè)/共89頁(yè)第29頁(yè)/共89頁(yè)單色儀工作的譜段范圍主要取決于棱鏡所用材料及其色散值，棱單色儀工作的譜段范圍主要取決于棱鏡所用材料及其色散值，棱鏡的色散值應(yīng)盡可能大，鏡的色散值應(yīng)盡可能大， 第30頁(yè)/共89頁(yè) 在可見(jiàn)譜段，玻璃的色散值隨波長(zhǎng)在可見(jiàn)譜段，玻璃的色散值隨波長(zhǎng)的增大而減小；在紅外譜段的增大而減??；在紅外譜段材料的工作譜段內(nèi)材

20、料的工作譜段內(nèi), , 色散值隨波長(zhǎng)的增大而增加。當(dāng)單色儀工作在相色散值隨波長(zhǎng)的增大而增加。當(dāng)單色儀工作在相當(dāng)寬譜段范圍內(nèi)時(shí)當(dāng)寬譜段范圍內(nèi)時(shí), , 需更換不同材料的棱鏡。需更換不同材料的棱鏡。 圖6-11 可見(jiàn)譜段色散材料的色散曲線 圖6-12 紅外譜段色散材料的色散曲線 第31頁(yè)/共89頁(yè)主要性能指標(biāo)：角色散角色散角色散表示色散元件分開(kāi)不同波長(zhǎng)輻射能的能力。角色散表示色散元件分開(kāi)不同波長(zhǎng)輻射能的能力。對(duì)于棱鏡，角色散為對(duì)于棱鏡，角色散為0dt dnda d式中，式中，t是三角形棱鏡底邊尺寸，是三角形棱鏡底邊尺寸，a0是沿縫高方向光束的是沿縫高方向光束的口徑，口徑，dn/d 是棱鏡材料的色散值。

21、是棱鏡材料的色散值。第32頁(yè)/共89頁(yè)主要性能指標(biāo)：線色散線色散2dldfdd線色散表示在出射狹縫平面上相鄰波長(zhǎng)分開(kāi)的程度。線色散表示在出射狹縫平面上相鄰波長(zhǎng)分開(kāi)的程度。由幾何關(guān)系不難寫(xiě)出由幾何關(guān)系不難寫(xiě)出f 2是第二物鏡的焦距。是第二物鏡的焦距。第33頁(yè)/共89頁(yè)主要性能指標(biāo)：光譜分辨率光譜分辨率光譜分辨率定義為光譜分辨率定義為 /d ，表示波長(zhǎng)為，表示波長(zhǎng)為 和波長(zhǎng)為和波長(zhǎng)為 +d 的色光剛能分開(kāi)的能力。對(duì)于某一波長(zhǎng)的色光剛能分開(kāi)的能力。對(duì)于某一波長(zhǎng) ，其與相鄰色光，其與相鄰色光剛能分開(kāi)的剛能分開(kāi)的d 越小，說(shuō)明棱鏡的光譜分辨能力越高。越小，說(shuō)明棱鏡的光譜分辨能力越高。根據(jù)方孔衍射極限角分

22、辨率根據(jù)方孔衍射極限角分辨率d = d /a0，則棱鏡的最大，則棱鏡的最大理論分辨率理論分辨率max0ddnRatddd即對(duì)應(yīng)狹縫寬度趨近于零時(shí)，棱鏡的最大理論分辨率和棱鏡的尺即對(duì)應(yīng)狹縫寬度趨近于零時(shí)，棱鏡的最大理論分辨率和棱鏡的尺寸以及棱鏡材料的色散成正比。實(shí)際上，由于物鏡有一定的像差以寸以及棱鏡材料的色散成正比。實(shí)際上，由于物鏡有一定的像差以及要得到一定出射光能量，狹縫需要有一定的寬度，加上雜散光等及要得到一定出射光能量，狹縫需要有一定的寬度，加上雜散光等的影響，實(shí)際單色儀的分辨率比的影響，實(shí)際單色儀的分辨率比Rmax小。小。第34頁(yè)/共89頁(yè)圖6-13 入射縫寬對(duì)像平面上光譜輻照度分布的

23、影響 設(shè)某光源有兩條相鄰的譜線，在一定入射縫寬時(shí), 它們?cè)诔錾淇p平面上的 輻 照 度 分 布 如 圖 6 -13(a)。當(dāng)入射縫寬增加時(shí), 兩譜線在出射縫平面上像寬度也增加, 入射縫寬增加到一定程度時(shí), 兩光譜線的像互相重疊而不能區(qū)分(圖6-13 (b)。第35頁(yè)/共89頁(yè)圖6-13 入射縫寬對(duì)像平面上光譜輻照度分布的影響 如果把入射縫寬逐漸減小，兩譜線在出射縫平面上的像寬度也減少，但由于最小像寬由兩個(gè)物鏡的衍射限及縫的衍射限所決定(圖6-13(c)，若進(jìn)一步減少入射縫寬, 只能使像的輻照度降低, 而不能使像寬減小(圖6-13(d)。所以要獲得最大分辨率，使譜線有滿(mǎn)意的輻照度，入射縫寬應(yīng)使譜線

24、如圖6-13(c)。 第36頁(yè)/共89頁(yè)圖6-14 出射光譜輻照度隨入射、出射狹縫寬的變化 當(dāng)a=a(圖(a)時(shí)，波長(zhǎng)0、入射狹縫寬像為a的光譜能量能全部透過(guò)出射狹縫，而波長(zhǎng)0+d0(設(shè)在d0內(nèi)色散值不變)的光譜能量完全不能由出射狹縫射出，出射狹縫的光譜能量相對(duì)透射值為三角形(即單色儀出射光譜能量是入射狹縫像光譜能量與出射狹縫的卷積)。同理，當(dāng)aa時(shí)(圖(b)，譜段變寬，輻照度增大。第37頁(yè)/共89頁(yè)一般認(rèn)為，單色儀出射的平均光譜寬度一般認(rèn)為，單色儀出射的平均光譜寬度 是相對(duì)透射值為最大值一是相對(duì)透射值為最大值一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的光譜寬度。故當(dāng)半時(shí)所對(duì)應(yīng)的光譜寬度。故當(dāng)a aa a時(shí)，平均光譜寬度時(shí)

25、，平均光譜寬度 不變；而只不變；而只有有a a a a時(shí)，時(shí)， 才加寬。才加寬。因此，在單色儀中，理想情況下要獲得最大的光譜分辨率和較大的因此，在單色儀中，理想情況下要獲得最大的光譜分辨率和較大的輻照度，應(yīng)使入射狹縫寬的像等于出射狹縫寬。此外，一般單色儀中，輻照度，應(yīng)使入射狹縫寬的像等于出射狹縫寬。此外，一般單色儀中，兩個(gè)準(zhǔn)直物鏡的焦距兩個(gè)準(zhǔn)直物鏡的焦距f f相同，因此，入射狹縫寬與其像尺寸相同，即相同，因此，入射狹縫寬與其像尺寸相同，即a a就是入射狹縫的寬度。就是入射狹縫的寬度。第38頁(yè)/共89頁(yè)1( )( )idLsd/(/)idadl d121( )( ) ( )( ) ( )aa h

26、s dddLfdl 121( )( ) ( )ahsdLf 由光源射入單色儀的光譜輻射通量由光源射入單色儀的光譜輻射通量式中，式中，s1是第一物鏡的通光面積；是第一物鏡的通光面積； 是由第一物鏡所對(duì)入射縫面積的是由第一物鏡所對(duì)入射縫面積的立體角，等于入射縫高立體角，等于入射縫高h(yuǎn)和入射縫寬和入射縫寬a的乘積除以的乘積除以f1的平方的平方; i為入射波為入射波長(zhǎng)。長(zhǎng)。設(shè)出射狹縫寬設(shè)出射狹縫寬a 允許入射狹縫處縫寬為允許入射狹縫處縫寬為d i的光通過(guò)，則的光通過(guò)，則，由此得單色儀的出射輻射通量，由此得單色儀的出射輻射通量對(duì)于線光譜，出射光譜輻射通量與縫寬無(wú)關(guān)對(duì)于線光譜，出射光譜輻射通量與縫寬無(wú)關(guān)(

27、縫要大于該譜線像的寬度縫要大于該譜線像的寬度)，則，則第39頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 第40頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 第41頁(yè)/共89頁(yè)參數(shù)： 光柵的角色散 線色散 光譜分辨率 光柵單色儀 第42頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 如果對(duì)應(yīng)某一波長(zhǎng)，使i= (列德洛自準(zhǔn)直式安裝)，且使i0，則(6-16)式， 即在相當(dāng)寬的光譜范圍內(nèi)角色散近似均勻光柵單色儀的優(yōu)點(diǎn)(棱鏡單色儀由于角色散是波長(zhǎng)的函數(shù)，以致色散小的小譜區(qū)因其光譜分辨率低而難以應(yīng)用)。/d dmb 第43頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 各級(jí)光譜能量的分布如圖6-17所示。由于通過(guò)光柵的能量大部分集中在無(wú)法使用的零級(jí)光譜，而其它譜級(jí)的能量迅速減弱。為了最大限度

28、地提高光能利用的可能性，炫耀光柵得到了廣泛的應(yīng)用。第44頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 每個(gè)刻痕的斷面都相當(dāng)于一個(gè)小反射鏡，把光線反射到預(yù)定的方向上，就能使衍射的大部分光能量集中在所需要的某一光譜級(jí)次的波段范圍內(nèi)。具有這種特性的光柵稱(chēng)為定向光柵或炫耀光柵。 第45頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 bmi)sin()sin(。 sinsinnis 與炫耀角 對(duì)應(yīng)的在m級(jí)光譜能量有最大值的波長(zhǎng)稱(chēng)為炫耀波長(zhǎng)，記為 B使單個(gè)刻槽面衍射的中央極大和諸槽面間干涉零級(jí)主極大分開(kāi)，將光能從干涉零級(jí)主極大，即零級(jí)光譜轉(zhuǎn)移并集中到某一級(jí)光譜上去，實(shí)現(xiàn)該級(jí)光譜的閃耀。第46頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 規(guī)定能量下降到炫耀波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)能量的一半

29、時(shí)兩側(cè)的所確定的波長(zhǎng)范圍作為可用光譜區(qū) minmax, 1/21/2BBmmmaxmin11() , ()22BBmm/mBm第47頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 例1：要測(cè)量0.41.1m譜段的輻射通量，應(yīng)選什么樣的光柵參數(shù)？maxminmaxmax31, , 222BBB第48頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 250009090170452B0.5867Bmax3255682Bmin0.39min185232B cm-1m cm-1 cm-1mm例1：要測(cè)量0.41.1m譜段的輻射通量，應(yīng)選什么樣的光柵參數(shù)？選光柵N=600線/mm，則b=1/N= 1.667m/線, =0.3519, 光柵刻線傾角=108

30、。 2sin/Bb17. 1max第49頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 為消除光譜級(jí)間的重疊常常使用分級(jí)元件(如濾光片、附加棱鏡等) 第50頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 例2：光譜范圍為0.614m的單色光，求所需光柵塊數(shù)及它們的光柵參數(shù) 波長(zhǎng)(m)minBmax第一塊光柵0.60.91.8第二塊光柵1.82.75.4第三塊光柵5.48.116.2第51頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 為消除光譜級(jí)的重疊，仍可用例1中所說(shuō)的適時(shí)加濾光片的方法。第一塊光柵選N1=500線/mm, 故b=2m/線1sin0.2252Bb若用光柵炫耀角相同的第二、三塊光柵，則它們的光柵參數(shù)為 223.662sin2 0.225Bbm/線,

31、 N2=167線/mm338.1182sin2 0.225Bbm/線, N3=56線/mm第52頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的光束均勻地照亮在入射狹縫S1上，S1位于離軸拋物鏡的焦平面上，光通過(guò)M1變成平行光照射到光柵上，再經(jīng)過(guò)光柵衍射返回到M1，經(jīng)過(guò)M2會(huì)聚到出射狹縫S2，由于光柵的分光作用，從S2出射的光為單色光。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從S2出射的光由短波到長(zhǎng)波依次出現(xiàn)。 第53頁(yè)/共89頁(yè)光柵單色儀 第54頁(yè)/共89頁(yè)第55頁(yè)/共89頁(yè)使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題 入射狹縫像的彎曲 第56頁(yè)/共89頁(yè)使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題 入射狹縫像的彎曲 若使出射狹縫和入射狹縫等寬，則出射狹縫上的光譜輻亮

32、度不均勻。當(dāng)要求出射狹縫光譜輻亮度均勻時(shí)，出射狹縫應(yīng)開(kāi)得比入射狹縫窄(如圖6-20中A-A限定的寬度)。 有些單色儀的入射狹縫本身做成彎曲的形狀，其目的也是使入射狹縫像和出射狹縫重合。 第57頁(yè)/共89頁(yè)使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題 雜散光的影響 單色儀不可避免地會(huì)有內(nèi)部反射及由于色散元件等表面上的灰塵、光學(xué)零件缺陷等造成的散射，使一部分光能不經(jīng)色散元件而投射在出射狹縫上；色散元件表面的不平，刻線寬度周期性變化等，都會(huì)使一部分其它波長(zhǎng)的光能散射到出射狹縫上。圖6-23畫(huà)出了一種單色儀的理想光譜透射及其實(shí)測(cè)曲線。 用雙單色儀可大大提高出射光譜的純度。圖6-24 給出的雙單色儀是兩個(gè)單色儀的串接，第一單色

33、儀的出射狹縫是第二單色儀的入射狹縫，于是散射到第一單色儀出射狹縫的非工作波長(zhǎng)的光能在經(jīng)過(guò)第二單色儀時(shí)，被色散元件偏向第二出射狹縫以外的位置，從而提高了出射光光譜的純度。 使用相同系統(tǒng)的雙單色儀，其光譜分辨率可提高一倍，只是光能經(jīng)過(guò)兩級(jí)單色儀后，損失增大，故使用時(shí)光源應(yīng)足夠強(qiáng)。第58頁(yè)/共89頁(yè)使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題 波長(zhǎng)的標(biāo)定 單色儀經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，由于溫度影響、機(jī)械結(jié)構(gòu)松動(dòng)、固有的結(jié)構(gòu)間隙等，使得單色儀的波長(zhǎng)刻度往往與實(shí)際出射光的波長(zhǎng)不能準(zhǔn)確地吻合，定期進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定十分必要。 紅外單色儀波長(zhǎng)標(biāo)定的過(guò)程大致相同，常用已知波長(zhǎng)的線光譜燈或一些吸收譜線作為標(biāo)定源。在近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外還用氧化

34、鈥等玻璃、聚乙烯或大氣水氣、二氧化碳等吸收譜線作為標(biāo)定波長(zhǎng)，激光光源也是很好的標(biāo)定光源。 標(biāo)定可見(jiàn)譜段的波長(zhǎng)時(shí)，由于一般譜線較亮，狹縫應(yīng)盡可能窄(如0.1mm)。 第59頁(yè)/共89頁(yè)使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題 溫度對(duì)測(cè)量的影響 溫度使材料的折射率發(fā)生變化，故儀器工作所在環(huán)境溫度的變化應(yīng)控制在土10 C以?xún)?nèi)。尤其是紅外分光棱鏡，色散小，光譜分辨率低，溫度變化引起的波長(zhǎng)裝定誤差就更大。 第60頁(yè)/共89頁(yè)6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 在光輻射測(cè)量中，分光光度計(jì)主要用于測(cè)量材料光譜反射比或光譜透射比。典型的系統(tǒng)有： 雙光束光學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng) (Optical null system) 雙光束電學(xué)平衡系統(tǒng) (Electrical ratio-recording system) 第61頁(yè)/共89頁(yè)6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 第62頁(yè)/共89頁(yè)6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 第63頁(yè)/共89頁(yè)6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 第64頁(yè)/共89頁(yè)6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 用以測(cè)量光源光譜輻射度量的儀器叫光譜輻射計(jì)，其基本由比較光路、單色儀和探測(cè)顯示系統(tǒng)組成。圖6-27是貝克曼DK-2R分光輻射計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖，標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源分別放在兩個(gè)燈室中，它們發(fā)出的光分別經(jīng)過(guò)一石英漫射器(注意：球只是用于固定漫射器，其本身不是積分球)，再經(jīng)反射鏡照在擺動(dòng)反射鏡上；擺動(dòng)反射鏡交替地將來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)