一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)方法及其裝置，通過采用連續(xù)可調(diào)的單波長輻射源、可輸出一個以上離散波長的激光裝置以及混光器相結(jié)合，不僅可實現(xiàn)光譜輻照度和光譜輻亮度的測量，而且可利用離散光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)光譜響應(yīng)度曲線提高測量準(zhǔn)確度，具有結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、性價比高、操作方便、便于推廣和使用等特點。
【專利說明】一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)方法及其裝置
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于光輻射測量領(lǐng)域，具體涉及一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)方法以及裝置。
【【背景技術(shù)】】
[0002]光譜響應(yīng)度是是光輻射探測器的基本性能之一，它表征了光輻射探測器對不同波長入射輻射的響應(yīng)程度。光輻射探測器只有經(jīng)光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)后才能用于絕對光譜值的測量，光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)不確定度的大小是決定光輻射探測器測量結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。
[0003]光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)一般有基于標(biāo)準(zhǔn)輻射源和基于標(biāo)準(zhǔn)探測裝置兩種方法。長期以來光譜輻射量的標(biāo)準(zhǔn)是建立在輻射源(黑體和不同等級的標(biāo)準(zhǔn)燈)基礎(chǔ)上的，但是其精度已不能適應(yīng)高精度計量領(lǐng)域日益發(fā)展的要求。為了確保校準(zhǔn)量值的置信度，標(biāo)準(zhǔn)探測裝置需要在嚴(yán)格設(shè)計的校準(zhǔn)裝置中對待校探測裝置的光譜響應(yīng)度進行校準(zhǔn)，目前典型的校準(zhǔn)裝置包括基于光源-單色儀的光譜比較系統(tǒng)(Spectral Comparator Facility, SCF)以及基于可調(diào)諧激光器的均勻光源光譜輻照度、光譜輻亮度校準(zhǔn)系統(tǒng)(Spectral Irradiance andRadiance Calibration with Uniform Sources, SIRCUS)。
[0004]SCF系統(tǒng)以普通光源和單色儀組合作為輻射源，由于普通光源的功率較低，單色儀輸出的單色光光線能量較弱，難以被精確探測和測量，只能采取將單色儀輸出的光線采用聚焦成像等方式聚焦到探測器上進行探測，但這種方案中，光束和探測器的不均勻性對測量結(jié)果的不確定度有很大影響，且成像結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引入的雜散光較大，功率響應(yīng)誤差大；更為重要的是，由于聚焦成像測量的均為功率響應(yīng)值，無法直接進行光譜輻亮度和光譜輻照度的校準(zhǔn)。
[0005]SIRCUS系統(tǒng)采用多套可調(diào)諧激光器提供高功率單色光，經(jīng)功率穩(wěn)定、頻譜分析、波長測量、斬波等過程后，與多個尺寸不同的積分球結(jié)合獲得均勻分布的穩(wěn)定輻射源，雖然該系統(tǒng)可直接進行功率、光譜輻照度和光譜輻亮度響應(yīng)值的校準(zhǔn)，但不同量值的校準(zhǔn)，需要切入不同尺寸的積分球，操作不方便；此外，其頻譜分析和波長測量也引入了 Michelson和Fabry - Perot干涉儀等精密器件，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且多套可調(diào)諧激光器、干涉儀和多個積分球等使用和維護成本極高，至今仍不能實現(xiàn)推廣應(yīng)用，即使在國家最高計量機構(gòu)，也難以負(fù)擔(dān)。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明基于標(biāo)準(zhǔn)探測裝置的比較法，提供一種設(shè)計精巧、成本低、校準(zhǔn)不確定度小且校準(zhǔn)量值齊全的光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置及一種光譜靈敏度校準(zhǔn)的方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0008]一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)方法，其特征在于，利用波長連續(xù)可調(diào)的單波長輻射源、混光器、可在待校波段內(nèi)輸出一個以上離散波長激光的激光裝置以及標(biāo)準(zhǔn)探測裝置，實現(xiàn)待校探測裝置光譜響應(yīng)度校準(zhǔn):[0009]在待校波段內(nèi)，單波長輻射源發(fā)出的單色光或激光裝置發(fā)出的離散波長激光經(jīng)混光器混光后，分別入射到待校探測裝置和已知光譜響應(yīng)度的標(biāo)準(zhǔn)探測裝置中；
[0010]依次比較在單波長輻射源發(fā)出的同一單色光入射時的待校探測裝置與標(biāo)準(zhǔn)探測裝置的響應(yīng)值，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)探測裝置的絕對光譜響應(yīng)度，即可計算出待校探測裝置的光譜響應(yīng)度曲線；
[0011]依次比較在激光裝置發(fā)出的同一離散波長激光入射時的待校探測裝置與標(biāo)準(zhǔn)探測裝置的響應(yīng)值，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)探測裝置的絕對光譜響應(yīng)度，即可計算出待校探測裝置的離散光譜響應(yīng)度；
[0012]利用待校探測裝置的離散光譜響應(yīng)度校正光譜響應(yīng)度曲線。
[0013]在本發(fā)明中，連續(xù)可調(diào)的單色光源在整個待校波段內(nèi)依次產(chǎn)生不同波長的單色光，經(jīng)混光器混光后作為主要光源；激光裝置所產(chǎn)生的激光為待校波段內(nèi)的一個或多個波長的單色光，經(jīng)混光器混光后作為輔助光源?；旃夂蟮墓庠窗l(fā)光面亮度分布均勻，接近于理想朗伯體輻射源，可同時實現(xiàn)光譜輻照度、光譜輻亮度、光譜輻射功率等絕對量值的校準(zhǔn)。在待校波段內(nèi)，利用標(biāo)準(zhǔn)探測裝置和待校探測裝置測得的單波長輻射源發(fā)出的單色光的測量結(jié)果，獲得待校探測裝置的光譜響應(yīng)度曲線，再利用標(biāo)準(zhǔn)探測裝置和待校探測裝置測量離散波長激光的測量結(jié)果，獲得待校探測裝置的離散光譜響應(yīng)度。相比于主光源，激光的波長準(zhǔn)確度高，功率也較高，基于激光裝置的輔助光源可以使待校探測裝置更加準(zhǔn)確地響應(yīng)各波長單色光的信號，進而獲得待校探測裝置更加準(zhǔn)確的離散光譜響應(yīng)度，即待校探測裝置對各個離散波長的光譜響應(yīng)情況。利用待校探測裝置的離散光譜響應(yīng)度修正光譜響應(yīng)度曲線，可以獲得待校探測裝置在整個待校波段范圍內(nèi)的準(zhǔn)確的絕對光譜響應(yīng)度。本發(fā)明中的標(biāo)準(zhǔn)/待校探測裝置優(yōu)選為光輻射探測器，但也可以為其它探測裝置。
[0014]相比于SCF系統(tǒng)，本發(fā)明采用混光器對單波長輻射源發(fā)出的光線進行充分混光，從混光器出射的光線分布均勻，有效降低由于光線分布不均勻性帶來的測量誤差；同時通過引入光高功率的激光對測量結(jié)果進行修正，進一步獲得待校波段范圍內(nèi)更加準(zhǔn)確的光譜響應(yīng)度。更為重要的是，混光后的光源發(fā)光面亮度分布均勻，且輻射單色光具有較高能量，不僅可用于待校探測裝置的光譜輻射功率和光譜輻照度的校準(zhǔn)，而且可以作為標(biāo)準(zhǔn)亮度源，進行待校探測裝置的光譜輻亮度校準(zhǔn)，同時僅用一個混光器也大幅簡化了光路的結(jié)構(gòu)，減小了雜散光等因素的影響，降低了校準(zhǔn)的不確定度。相比于SIRCUS系統(tǒng)，本發(fā)明僅通過可輸出一個以上離散波長的激光裝置，來校正測量誤差，無需采用價格高昂的多套可調(diào)諧激光器、干涉儀和多個積分球等裝置，即可達到較高的測量準(zhǔn)確度，性價比高；同時簡化了相應(yīng)的光譜分析、波長測量、消干涉等一系列配套措施，操作方便，便于系統(tǒng)的推廣和使用。
[0015]本發(fā)明可以通過以下技術(shù)特征進一步完善和優(yōu)化:
[0016]本發(fā)明中，單波長輻射源和激光裝置的測量方式靈活，例如可進行逐個波長測量或者整段待校波段測量，逐個波長測量步驟為:每次將單波長輻射源/激光裝置調(diào)至某一待校波長后，使用待校探測裝置和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置依次對該波長信號進行測量，而后將單波長輻射源調(diào)至下一待校波長，如此重復(fù)，直至完成所有單色光的測量，這種測量步驟需要經(jīng)常切換待校探測裝置和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置，而對于同一波長的測量間隔時間較短。而整段待測光譜測量步驟為:先使用待校探測裝置對所有待校波長的單波長輻射源/激光裝置進行測量，而后將待校探測裝置替換為標(biāo)準(zhǔn)探測裝置對所有待測波長的單波長輻射源進行測量，該測量步驟優(yōu)點在于無需頻繁地切換待校探測裝置和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置，但標(biāo)準(zhǔn)探測裝置與待校探測裝置對于同一波長的測量間隔時間較長。
[0017]作為優(yōu)選，所述的待校探測裝置和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置的位置可調(diào)節(jié)至輻照度測量距離和輻亮度測量距離上；所述的輻照度測量距離(如圖1所示的距離B)是混光器出光口尺寸的5倍以上，所述的輻亮度測量距離(如圖1所示的距離A)為探測器視場小于混光器出光口面的距離。待校探測裝置和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置相對混光器出光口的位置可移動，根據(jù)位置調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同的測量模式，輻照度測量和輻亮度測量共用一個混光器，以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方便測量。輻照度測量時，探測器距離較遠，混光器出口可視為點光源；輻亮度測量時，探測器距離較近，視場范圍在混光器出光口面以內(nèi)。可采用兩種測量方式實現(xiàn):[0018]光譜輻照度校準(zhǔn)可采用兩種方式測量，即待校探測裝置和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置可設(shè)置于同一位置處或者設(shè)置在不同位置處，但兩種測量方式對測試條件的要求不同。待校探測裝置待校探測裝置標(biāo)準(zhǔn)探測裝置標(biāo)準(zhǔn)探測裝置待校探測裝置例如，待校探測裝置和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置在同一位置處進行測試時，理論上，兩者可位于混光器出光口光軸上的任意位置處，對測量距離沒有要求，這種測量方式下，由于兩者的測試條件相同，利用比較法可直接得出待校探測裝置的光譜響應(yīng)度；若標(biāo)準(zhǔn)探測裝置和待測探測器在混光器出光口同一方向而不同距離處，這種測量方式下，二者的測量距離需滿足平方反比定律，則可根據(jù)距離平方反比定
律= 十算得出待校探測裝置的光譜響應(yīng)度:
【權(quán)利要求】
1.一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)方法，其特征在于，利用波長連續(xù)可調(diào)的單波長輻射源(I)、混光器(2)、可在待校波段內(nèi)輸出一個以上離散波長激光的激光裝置(3)以及標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)，實現(xiàn)待校探測裝置(5)光譜響應(yīng)度校準(zhǔn): 在待校波段內(nèi)，單波長輻射源(I)發(fā)出的單色光或激光裝置(3)發(fā)出的離散波長激光經(jīng)混光器⑵混光后，分別入射到待校探測裝置(5)和已知光譜響應(yīng)度的標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)中； 依次比較在單波長輻射源(I)發(fā)出的同一單色光入射時的待校探測裝置(5)與標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)的響應(yīng)值，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)的絕對光譜響應(yīng)度，即可計算出待校探測裝置(5)的光譜響應(yīng)度曲線； 依次比較在激光裝置(3)發(fā)出的同一離散波長激光入射時的待校探測裝置(5)與標(biāo)準(zhǔn)探測裝置⑷的響應(yīng)值，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)探測裝置⑷的絕對光譜響應(yīng)度，即可計算出待校探測裝置(5)的離散光譜響應(yīng)度； 利用待校探測裝置(5)的離散光譜響應(yīng)度校正光譜響應(yīng)度曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述的待校探測裝置(5)和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)的位置可調(diào)節(jié)至輻照度測量距離和輻亮度測量距離上；所述的輻照度測量距離是混光器(2)出光口尺寸的5倍以上，所述的輻亮度測量距離為探測器視場小于混光器(2)出光口 面的距離。
3.如權(quán)利要求1所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)方法，其特征在于，包括監(jiān)測探測裝置(6)，在利用待校探測裝置(5)或標(biāo)準(zhǔn)探測裝置⑷測量單波長輻射源(I)/激光裝置(3)的輻射功率的同時，監(jiān)測探測裝置(6)直接接收來自單波長輻射源(I)/激光裝置(3)的光或者接收來自混光器(2)出射的光，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)的絕對光譜響應(yīng)度，校正待較探測器(5)的絕對光譜響應(yīng)度。
4.一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置，其特征在于，包括連續(xù)可調(diào)的單波長輻射源(I)、混光器(2)以及激光裝置(3)，單波長輻射源(I)發(fā)出的單色光或者激光裝置(3)發(fā)出的一個以上離散波長激光，被分別導(dǎo)入到混光器(2)中混光，標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)和待校探測裝置(5)分別接收從混光器(2)出射的光。
5.如權(quán)利要求4所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置，其特征在于，所述的激光裝置(3)為包括一個以上固定波長激光器的組合裝置，或者為可輸出多個離散波長激光的單個激光器。
6.如權(quán)利要求4所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置，其特征在于，所述的混光器(2)至少包括第一入光口(2-1)和第二入光口(2-2)，所述的單波長輻射源(I)發(fā)出的單色光通過第一入光口(2-1)導(dǎo)入到混光器(2)中，所述的激光裝置(3)發(fā)出的離散波長激光通過第二入光口(2-2)導(dǎo)入到混光器(2)中。
7.如權(quán)利要求4所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置，其特征在于，包括監(jiān)測探測裝置(6),所述的混光器(2)至少包括第一出光口(2-3)和第二出光口(2-4),從第一出光口(2-3)出射的光線被待校探測裝置(5)或者標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)接收，從第二出光口(2-4)出射的光線被監(jiān)測探測裝置(6)接收。
8.如權(quán)利要求7所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置，其特征在于，包括分叉光纖(8)和切換裝置(9)，所述的一個以上固定波長激光器的組合裝置通過分叉光纖(8)與混光器(2)耦合，所述的切換裝置(9)將不同固定波長激光器發(fā)出的光線導(dǎo)入到分叉光纖(8)中，分叉光纖(8)將其接收的光線輸入到混光器(2)中。
9.如權(quán)利要求4所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置，其特征在于，包括調(diào)節(jié)裝置(7)，所述的調(diào)節(jié)裝置(7)包括光學(xué)導(dǎo)軌(7-1)和支撐平臺(7-2);所述的待校探測裝置(5)和標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)通過支撐平臺(7-2)設(shè)置在光學(xué)導(dǎo)軌(7-1)上，所述的支撐平臺(7-2)主動或者被動地將待校探測裝置(5)或者標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)切入到測量光路中。
10.如權(quán)利要求4所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置，其特征在于，所述的連續(xù)可調(diào)的單波長輻射源(I)由單色儀(1-1)和一個以上輻射源(1-2)組成，所述的輻射源(1-2)輻射輸出波段至少覆蓋待校波段。
11.如權(quán)利要求4所述的一種光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)裝置，其特征在于，所述的標(biāo)準(zhǔn)探測裝置(4)是陷阱探測器或低溫輻 射探測器。
【文檔編號】G01J3/02GK103542934SQ201310549393
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】陳聰, 潘建根, 楊靜 申請人:杭州遠方光電信息股份有限公司