專利名稱：基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的高精度輻亮度基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輻射度學(xué)之光輻射精確計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的高精度輻亮度探測基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)裝置和方法。
背景技術(shù)：
到目前為止，輻亮度基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)通常采用的都是基于輻射源的方法。采用這種方法的初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是建立在絕對(duì)黑體理論基礎(chǔ)上，由普朗克定律確定的，在可見—短波紅外波段的工作標(biāo)準(zhǔn)是各種不確定度級(jí)別的輻亮度標(biāo)準(zhǔn)燈。根據(jù)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(duì)應(yīng)。現(xiàn)有輻亮度基準(zhǔn)就是依據(jù)這個(gè)原理，通過精確測定黑體的溫度來建立輻亮度基準(zhǔn)的。因此，在現(xiàn)有的基于高溫黑體(1500K～3200K)的輻亮度初級(jí)基準(zhǔn)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(shí)上，高溫黑體溫度的測定，其技術(shù)難度較大，所需設(shè)備復(fù)雜，精度很難提高，因而現(xiàn)有的輻亮度初級(jí)基準(zhǔn)，其絕對(duì)精度本身就不高，不確定度較大，約為1％～4％左右；經(jīng)過多級(jí)標(biāo)準(zhǔn)傳遞，最終到達(dá)用戶的工作標(biāo)準(zhǔn)，其絕對(duì)精度更差，不確定度達(dá)到5％～10％左右。由于現(xiàn)有的輻亮度工作標(biāo)準(zhǔn)精度本身不高，限制了市面上各種型號(hào)光譜輻亮度計(jì)測量精度的進(jìn)一步提高，使光譜輻亮度的計(jì)量和測量水平目前處于一個(gè)較低的層次，嚴(yán)重束縛了那些對(duì)輻亮度測量指標(biāo)精度要求較高的行業(yè)發(fā)展的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于發(fā)明了一種新型基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的高精度輻亮度探測基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法和裝置。輻射源的初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用了當(dāng)前世界上測量光輻射通量精度最高的裝置——低溫絕對(duì)輻射計(jì)，輻亮度的傳遞標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)都采用了基于硅陷阱探測器的濾光片式輻亮度計(jì)。該方法的精度遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的基于輻射源法，且由于標(biāo)準(zhǔn)的傳遞鏈較短，因而可以大大減小標(biāo)準(zhǔn)傳遞過程中的不確定因素。
本發(fā)明發(fā)明了一套實(shí)現(xiàn)輻亮度探測基準(zhǔn)的新型裝置——多波段濾光片式輻亮度計(jì)。它采用了光陷阱結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，非常適合作為日常的輻亮度傳遞標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)使用。
一種可見光波段新型基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的高精度輻亮度基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟(1)、設(shè)計(jì)一個(gè)多波段濾光片式輻亮度計(jì)，該濾光片式輻亮度計(jì)實(shí)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(nèi)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(cè)安裝有一個(gè)多面體結(jié)構(gòu)的Trap骨架，Trap骨架的緊貼光闌筒的面上留有一個(gè)圓形的光入射孔，其余三個(gè)面每個(gè)面上分別固定有一個(gè)硅光電二極管，設(shè)定這三個(gè)面分別為底面，左側(cè)面，右側(cè)面，這三個(gè)面的位置關(guān)系為光入射孔所在平面與底面垂面，右側(cè)面與光入射孔所在平面成45度夾角，且右側(cè)面與底面垂直，左側(cè)面與底面成45度夾角，左側(cè)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(gè)硅光電二極管在電路上采用并聯(lián)連接方式，三個(gè)并聯(lián)光電二極管所輸出的光電流信號(hào)，經(jīng)前放電路作I-V變化和放大，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路預(yù)處理后送入由單片機(jī)系統(tǒng)控制的A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理單元部分，(3)、在(1)、(2)中所述的輻亮度計(jì)中的多面體結(jié)構(gòu)Trap骨架及其后端的運(yùn)放電路部分共同構(gòu)成了一個(gè)光陷阱結(jié)構(gòu)的Trap探測器；在可見光波段范圍內(nèi)選定幾個(gè)波長激光，在各波長點(diǎn)上，利用低溫絕對(duì)輻射計(jì)和HP34970A 6.5位數(shù)字電壓表分別測量進(jìn)入光陷阱結(jié)構(gòu)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(hào)，建立光陷阱結(jié)構(gòu)Trap探測器在各個(gè)波長點(diǎn)上的輸入光輻射通量和其輸出電壓之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過內(nèi)差和外推，計(jì)算得到Trap探測器在整個(gè)可見光波段內(nèi)的絕對(duì)光譜響應(yīng)率；經(jīng)過上述低溫絕對(duì)輻射計(jì)的絕對(duì)標(biāo)定，Trap探測器就成為了一個(gè)光輻射功率標(biāo)準(zhǔn)探測器；(4)、根據(jù)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(shí)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(dá)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(qū)別，可以看出，相對(duì)于輻射通量，輻射亮度的定義式中僅多了一個(gè)幾何因子(dΩ·dS·cosθ)，而該幾何因子實(shí)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(duì)于輻射通量的測量僅多了一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)探測器入射光路前方引入一個(gè)能限制入射孔徑和立體角的圓筒形的光闌筒，并對(duì)該入射孔徑和立體角進(jìn)行精確測定后，通過公式嚴(yán)格計(jì)算，就可使Trap光輻射功率標(biāo)準(zhǔn)探測器轉(zhuǎn)變?yōu)檩椓炼葮?biāo)準(zhǔn)探測器；(5)、在實(shí)測某朗伯特性目標(biāo)時(shí)，通過溫控系統(tǒng)，將輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測器溫度控制在(3)中Trap光功率標(biāo)準(zhǔn)探測器相對(duì)于低溫輻射計(jì)作絕對(duì)功率標(biāo)定時(shí)的溫度，至此，基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的輻亮度標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成不同中心波長的輻亮度探測基準(zhǔn)。
所述的高精度輻亮度探測基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)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(shù)碼顯示屏、前面板按鍵鍵盤、RS232-C串行接口和基于光陷阱結(jié)構(gòu)的Trap探測器。
Trap探測器核心部分采用了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙的光陷阱結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得入射光在Trap內(nèi)部經(jīng)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(zhuǎn)換。且Trap探測器偏振非敏感，多次測量時(shí)不會(huì)因入射光的偏振態(tài)不同對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。
所述的多波段濾光片式輻亮度計(jì)，設(shè)計(jì)有基于半導(dǎo)體致冷技術(shù)的精密恒溫控制系統(tǒng)。摒棄了傳統(tǒng)的溫控水套的方法，采用了半導(dǎo)體致冷器Peltier，數(shù)字溫度傳感器DS18B20。數(shù)字溫度傳感器DS18B20固定安裝在輻亮度計(jì)上，采用導(dǎo)熱硅膠粘接，輻亮度計(jì)與溫度傳感器以及Peltier之間用導(dǎo)熱環(huán)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(jì)，具有友好的人機(jī)交換界面，可以設(shè)置為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制模式或本地工作模式。帶有掉電非易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)測量狀態(tài)時(shí)，本發(fā)明的輻亮度計(jì)可自動(dòng)完成采集測量，結(jié)果存儲(chǔ)于片上存儲(chǔ)器中，測量結(jié)束后可通過RS232C串口傳入上位PC機(jī)進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理。
本發(fā)明輻射源的初級(jí)基準(zhǔn)采用了當(dāng)前世界上測量光輻射通量精度最高的裝置——低溫絕對(duì)輻射計(jì)。低溫絕對(duì)輻射計(jì)利用電替代原理測量光輻射的絕對(duì)功率。入射光使輻射計(jì)內(nèi)部接收腔的溫度升高，達(dá)到熱平衡后擋住入射光，用電加熱產(chǎn)生同樣溫升所需要的電功率即等于實(shí)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(jì)和電橋精密測量。輻射計(jì)內(nèi)部錐管形的接收腔內(nèi)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(huán)境熱輻射，也使光和電加熱過程達(dá)到極高的等效性。低溫下導(dǎo)線及接頭均處于超導(dǎo)狀態(tài)，其歐姆損耗可以忽略。低溫輻射計(jì)的上述設(shè)計(jì)特點(diǎn)使其用于光輻射測量的精度非常高，測量不確定度可達(dá)到0.01％。
本發(fā)明的多波段濾光片式輻亮度計(jì)，其特征在于采用了光陷阱的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種光陷阱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用三片平面型硅光電二極管，根據(jù)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(chǎn)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(duì)于單個(gè)硅光電二極管，有If＝η(1-ρ)(λe/hc)·P故，光陷阱結(jié)構(gòu)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(shù)；c為真空光速；η1、η2、η3分別為1#、2#、3#硅光電二極管的內(nèi)量子效率；ρ1、ρ2是入射角為45°時(shí)1#、2#光電二極管的反射率，ρ3為垂直入射時(shí)3#光電二極管的反射率。
事實(shí)上，由于采用的是同種型號(hào)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(gè)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(shí)，該三片式結(jié)構(gòu)也能大大降低單一器件對(duì)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(duì)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(fā)明的濾光片式輻亮度計(jì)，其分光元件采用了窄帶干涉濾光片，裝配結(jié)構(gòu)采用了便于更換不同中心波長濾光片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。對(duì)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(shí)現(xiàn)。
由于濾光片的中心波長、透過率等關(guān)鍵參數(shù)會(huì)隨環(huán)境溫度的變化發(fā)生漂移而導(dǎo)致輻亮度計(jì)的測量精度降低，故本發(fā)明的濾光片式輻亮度計(jì)，設(shè)計(jì)了完備的智能型溫度監(jiān)測和控制系統(tǒng)，它可以對(duì)濾光片實(shí)現(xiàn)精密恒溫控制。
本發(fā)明的濾光片式輻亮度計(jì)，設(shè)計(jì)有友好的人機(jī)交互界面和RS232C計(jì)算機(jī)串行接口。其前面板上的小鍵盤，用于輸入有關(guān)設(shè)置參數(shù)；高亮度真空熒光顯示屏VFD，用于實(shí)時(shí)顯示操作提示信息、工作狀態(tài)信息及測量結(jié)果。該輻亮度計(jì)可設(shè)置為本地工作模式或計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制模式。


圖1為本發(fā)明的輻亮度標(biāo)準(zhǔn)傳遞鏈?zhǔn)疽鈭D。
圖2為本發(fā)明的光陷阱結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的多波段濾光片式輻亮度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為多波段濾光片式輻亮度計(jì)溫控系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1、圖2、圖3、圖4。
本發(fā)明的新型基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的高精度輻亮度標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示。低溫輻射計(jì)是目前世界上測量光輻射功率絕對(duì)精度最高的裝置。本發(fā)明方法中以它作為光輻射通量計(jì)量的初級(jí)基準(zhǔn)。由于低溫絕對(duì)輻射計(jì)造價(jià)昂貴，體積較大，操作運(yùn)行較為復(fù)雜，不便于作為日常的工作標(biāo)準(zhǔn)加以使用，因而本發(fā)明又設(shè)計(jì)研制了基于光陷阱結(jié)構(gòu)的Trap探測器，它性能優(yōu)越，體積小，使用簡單方便，長期穩(wěn)定性好，非常適合作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)使用。在可見光波段，采用不同波長的激光，對(duì)Trap探測器的響應(yīng)相對(duì)于低溫絕對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行絕對(duì)量定標(biāo)，然后基于Trap探測器的光譜響應(yīng)曲線，通過外推和內(nèi)差算法，即可計(jì)算得到Trap探測器在可見光范圍整個(gè)連續(xù)波段上的絕對(duì)光譜響應(yīng)率。這樣Trap探測器就成為了一個(gè)能夠用于光輻射通量絕對(duì)量測量的光通量標(biāo)準(zhǔn)探測器，完成了圖1中所示的低溫絕對(duì)輻射計(jì)到Trap標(biāo)準(zhǔn)探測器的標(biāo)準(zhǔn)傳遞。
本發(fā)明的多波段濾光片式輻亮度計(jì)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(shù)碼顯示屏，7、前面板按鍵，8、RS232-C串行接口，9、光陷阱結(jié)構(gòu)的Trap探測器。
根據(jù)定義，輻亮度L是指離開、到達(dá)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(jù)以上定義式，要精確測定到達(dá)Trap探測器入瞳處的輻亮度，則需要知道進(jìn)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(duì)于低溫絕對(duì)輻射計(jì)，已做了絕對(duì)輻射定標(biāo)，其絕對(duì)光譜響應(yīng)率已知，在測量得到Trap探測器的輸出電壓信號(hào)后，根據(jù)其絕對(duì)光譜響應(yīng)率可以計(jì)算得知Trap探測器入瞳處的輻射通量dΦ。本設(shè)計(jì)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(jì)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(jù)以上輻亮度的定義式即可精確計(jì)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(nèi)的輻亮度定義，而實(shí)際應(yīng)用中，往往需要知道的是某一特定波長在一定帶寬范圍內(nèi)的光譜輻亮度，因而還需要考慮波長和帶寬因素。
本發(fā)明中采用了窄帶干涉濾光片作為光學(xué)系統(tǒng)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(jié)合以上得到的輻亮度值即可計(jì)算得到某一特定波長的光譜輻亮度。多波段輻亮度計(jì)成為了一個(gè)能夠用于光譜輻亮度精確計(jì)量的輻亮度探測基準(zhǔn)。
至此，就實(shí)現(xiàn)了圖1所示的從Trap標(biāo)準(zhǔn)探測器到多波段輻亮度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)傳遞過程，其實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)了從光輻射通量基準(zhǔn)到光譜輻亮度基準(zhǔn)的傳遞和轉(zhuǎn)換，建立了新型的基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的輻亮度探測基準(zhǔn)。
本發(fā)明采用多波段輻亮度計(jì)所實(shí)現(xiàn)的輻亮度探測基準(zhǔn)，絕對(duì)精度高，不確定度優(yōu)于1％，該標(biāo)準(zhǔn)性能非常穩(wěn)定，便于保存。本發(fā)明的多波段濾光片式輻亮度計(jì)，其結(jié)構(gòu)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(nèi)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(cè)安裝有一個(gè)多面體結(jié)構(gòu)的Trap骨架9，Trap骨架的緊貼光闌筒的面上留有一個(gè)圓形的光入射孔14，其余三個(gè)面每個(gè)面上分別固定有一個(gè)硅光電二極管。光入射孔14所在平面與底面15垂面，右側(cè)面16與光入射孔14所在平面成45度夾角，且右側(cè)面16與底面15垂直，左側(cè)面17與底面15成45度夾角，左側(cè)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(gè)硅光電二極管在電路上采用并聯(lián)連接方式，三個(gè)并聯(lián)光電二極管所輸出的光電流信號(hào)，經(jīng)前放電路作I-V變化和放大，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路預(yù)處理后送入由單片機(jī)系統(tǒng)控制的A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理單元部分，進(jìn)而完成信號(hào)的采集、輻亮度絕對(duì)量值計(jì)算、存儲(chǔ)及測量結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示等功能。本發(fā)明的多波段濾光片式輻亮度計(jì)設(shè)計(jì)有前面板按鍵和VFD高亮度熒光數(shù)碼顯示屏，用于輸入用戶設(shè)置參數(shù)和實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。在本地自動(dòng)測量模式時(shí)，系統(tǒng)可將測量結(jié)果存儲(chǔ)于掉電非易失性存儲(chǔ)器中，測量結(jié)束后可通過RS232C串口上傳至PC機(jī)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析處理。
本發(fā)明的多波段濾光片式輻亮度計(jì)，配備有窄帶干涉濾光片。實(shí)驗(yàn)研究表明，濾光片的性能參數(shù)會(huì)隨環(huán)境溫度起伏發(fā)生較大變化，是影響多波段濾光片式輻亮度計(jì)絕對(duì)精度的關(guān)鍵因素?？紤]到多波段濾光片式輻亮度計(jì)在不同環(huán)境溫度中作為日常輻亮度探測標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí)，其精度應(yīng)該不受環(huán)境溫度影響，本發(fā)明設(shè)計(jì)了精密溫控系統(tǒng)，來對(duì)濾光片進(jìn)行恒溫控制，從而使得濾光片的溫度始終被控制在其相對(duì)于低溫絕對(duì)輻射計(jì)作絕對(duì)響應(yīng)定標(biāo)時(shí)的溫度。本發(fā)明的精密溫控系統(tǒng)如圖4所示，包括多波段濾光片式輻亮度計(jì)10，固定在濾光片式輻亮度計(jì)上面的數(shù)字溫度傳感器DS18B20 11，與濾光片式輻亮度計(jì)相連的半導(dǎo)體熱電致冷器Peltier 12，散熱器13，與數(shù)字溫度傳感器輸出端相連的智能溫控電路以及人機(jī)接口電路。
本實(shí)施的濾光片式輻亮度計(jì)與DS18B20溫度傳感器之間以及濾光片式輻亮度計(jì)與Peltier之間都必須保持良好的鋼性熱接觸，這樣才能達(dá)到理想的控溫效果。實(shí)際連接中可以采用導(dǎo)熱硅膠粘接或采用夾具連接的方式。當(dāng)采用粘接方式時(shí)，輻亮度計(jì)與溫度傳感器以及Peltier之間可用導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂粘接或低溫焊料焊接；當(dāng)采用夾具連接時(shí)，輻亮度計(jì)與溫度傳感器以及Peltier之間都需要均勻涂抹導(dǎo)熱硅膠，以降低接觸面的熱阻。
本發(fā)明中用于加熱或致冷操作的器件采用了半導(dǎo)體熱電致冷器Peltier，它是基于Peltier效應(yīng)的多對(duì)熱電致冷對(duì)在電氣上串聯(lián)、在熱傳導(dǎo)上并聯(lián)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(shí)現(xiàn)加熱又可進(jìn)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(fā)明的基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的高精度輻亮度探測基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法和裝置，在絕對(duì)精度和長期穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)上，具有傳統(tǒng)的基于輻射源法所無法比擬的優(yōu)勢，是一套全新的輻射度學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)的建立思路和方法。
權(quán)利要求
1.一種基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的高精度輻亮度基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟(1)、設(shè)計(jì)一個(gè)多波段濾光片式輻亮度計(jì)，該濾光片式輻亮度計(jì)實(shí)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(nèi)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(cè)安裝有一個(gè)多面體結(jié)構(gòu)的Trap骨架，Trap骨架的緊貼光闌筒的面上留有一個(gè)圓形的光入射孔，其余三個(gè)面每個(gè)面上分別固定有一個(gè)硅光電二極管，設(shè)定這三個(gè)面分別為底面，左側(cè)面，右側(cè)面，這三個(gè)面的位置關(guān)系為光入射孔所在平面與底面垂面，右側(cè)面與光入射孔所在平面成45度夾角，且右側(cè)面與底面垂直，左側(cè)面與底面成45度夾角，左側(cè)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(gè)硅光電二極管在電路上采用并聯(lián)連接方式，三個(gè)并聯(lián)光電二極管所輸出的光電流信號(hào)，經(jīng)前放電路作I-V變化和放大，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路預(yù)處理后送入由單片機(jī)系統(tǒng)控制的A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理單元部分，(3)、在(1)、(2)中所述的輻亮度計(jì)中的多面體結(jié)構(gòu)Trap骨架及其后端的運(yùn)放電路部分共同構(gòu)成了一個(gè)光陷阱結(jié)構(gòu)的Trap探測器；在可見光波段范圍內(nèi)選定幾個(gè)波長激光，在各波長點(diǎn)上，利用低溫絕對(duì)輻射計(jì)和HP34970A6.5位數(shù)字電壓表分別測量進(jìn)入光陷阱結(jié)構(gòu)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(hào)，建立光陷阱結(jié)構(gòu)Trap探測器在各個(gè)波長點(diǎn)上的輸入光輻射通量和其輸出電壓之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過內(nèi)差和外推，計(jì)算得到Trap探測器在整個(gè)可見光波段內(nèi)的絕對(duì)光譜響應(yīng)率；經(jīng)過上述低溫絕對(duì)輻射計(jì)的絕對(duì)標(biāo)定，Trap探測器就成為了一個(gè)光輻射功率標(biāo)準(zhǔn)探測器；(4)、根據(jù)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(shí)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(dá)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(qū)別，可以看出，相對(duì)于輻射通量，輻射亮度的定義式中僅多了一個(gè)幾何因子(dΩ·dS·cosθ)，而該幾何因子實(shí)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(duì)于輻射通量的測量僅多了一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)探測器入射光路前方引入一個(gè)能限制入射孔徑和立體角的圓筒形的光闌筒，并對(duì)該入射孔徑和立體角進(jìn)行精確測定后，通過公式嚴(yán)格計(jì)算，就可使Trap光輻射功率標(biāo)準(zhǔn)探測器轉(zhuǎn)變?yōu)檩椓炼葮?biāo)準(zhǔn)探測器；(5)、在實(shí)測某朗伯特性目標(biāo)時(shí)，通過溫控系統(tǒng)，將輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測器溫度控制在(3)中Trap光功率標(biāo)準(zhǔn)探測器相對(duì)于低溫輻射計(jì)作絕對(duì)功率標(biāo)定時(shí)的溫度，至此，基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的輻亮度標(biāo)準(zhǔn)建立完成。
2.根據(jù)權(quán)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(gòu)成不同中心波長的輻亮度探測基準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度輻亮度基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)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(shù)碼顯示屏、前面板按鍵鍵盤、RS232-C串行接口和基于光陷阱結(jié)構(gòu)的Trap探測器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可見光波段新型基于標(biāo)準(zhǔn)探測器的高精度輻亮度基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法和裝置。本發(fā)明以低溫輻射計(jì)作為光輻射通量計(jì)量的初級(jí)基準(zhǔn)，采用了基于光陷阱結(jié)構(gòu)的多波段濾光片式輻亮度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低溫絕對(duì)輻射計(jì)到Trap標(biāo)準(zhǔn)探測器的標(biāo)準(zhǔn)傳遞。本發(fā)明的多波段濾光片式輻亮度計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、長期穩(wěn)定性高，設(shè)計(jì)有精密恒溫控制系統(tǒng)，可用于不同的環(huán)境溫度中而測量精度不會(huì)降低，非常適合作為輻亮度的實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)加以長期保存或作為日常的工作標(biāo)準(zhǔn)加以使用，非常方便?？纱蟠蠼档同F(xiàn)有的輻亮度基準(zhǔn)的不確定度，為輻射度學(xué)高精度計(jì)量基準(zhǔn)的建立提供了一套全新的思路和方法。
文檔編號(hào)G01J1/00GK1657887SQ20051003766
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2005年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月8日
發(fā)明者李照洲, 鄭小兵, 吳浩宇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所