第6章 輻射測量的基本儀器

1、第6章 輻射測量的基本儀器 6.1 光度導(dǎo)軌光度導(dǎo)軌6.2 積分球積分球6.3 單色儀單色儀 6.3.1 棱鏡單色儀棱鏡單色儀 6.3.2 光柵單色儀光柵單色儀 6.3.3 使用單色儀的使用單色儀的 幾個問題幾個問題6.4 分光光度計和光譜分光光度計和光譜 輻射計輻射計6.5 傅立葉變換光譜輻傅立葉變換光譜輻 射計射計光輻射測量中，在光度導(dǎo)軌上用標(biāo)準(zhǔn)光源來標(biāo)定待測光光輻射測量中，在光度導(dǎo)軌上用標(biāo)準(zhǔn)光源來標(biāo)定待測光源、探測器和光輻射測量系統(tǒng)，仍是最常用而且精確、源、探測器和光輻射測量系統(tǒng)，仍是最常用而且精確、可靠的裝置之一?？煽康难b置之一。光度導(dǎo)軌和一般導(dǎo)軌的主要區(qū)別在于：光度導(dǎo)軌和一般導(dǎo)軌的主

2、要區(qū)別在于：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位置對準(zhǔn)，并在其相對移動時保持對準(zhǔn)關(guān)系；）可使部件之間軸向相對位置對準(zhǔn)，并在其相對移動時保持對準(zhǔn)關(guān)系；2）精確確定測量部件之間的軸向距離。）精確確定測量部件之間的軸向距離。光度導(dǎo)軌的主要功能：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或多個部件之間軸向的相對位置對準(zhǔn)，并在使兩個或多個部件之間軸向的相對位置對準(zhǔn)，并在其相對移動時保持對準(zhǔn)關(guān)系。其相對移動時保持對準(zhǔn)關(guān)系。 精確地確定測量部件

3、之間的軸向距離，以便用輻照精確地確定測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)是其它方法光度導(dǎo)軌的特點(diǎn)是其它方法(如加中性密度濾光片如加中性密度濾光片改變光闌孔徑等改變光闌孔徑等)不能或不能精確實(shí)現(xiàn)的。由于在不

4、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，不會改變光源的光光度導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)的參數(shù)是距離，不會改變光源的光譜分布譜分布(不考慮中間大氣的影響不考慮中間大氣的影響)，而一般加入光闌，而一般加入光闌等很難同時做到精確又連續(xù)可調(diào)。等很難同時做到精確又連續(xù)可調(diào)。導(dǎo)軌上裝有數(shù)個帶距離精細(xì)刻度的滑動架或滑動車，以便和導(dǎo)軌上的導(dǎo)軌上裝有數(shù)個帶距離精細(xì)刻度的滑動架或滑動車，以便和導(dǎo)軌上的距離刻尺對準(zhǔn)，提高距離讀數(shù)的精度。為了增加垂直測量平面上輻照距離刻尺對準(zhǔn)，提高距離讀數(shù)的精度。為了增加垂直測量平面上輻照度等的變化范圍，減少距離誤差對測量的影響，光度導(dǎo)軌應(yīng)盡可能長。度等的變化范圍，減少距離誤差對測量的

5、影響，光度導(dǎo)軌應(yīng)盡可能長。例如，有效工作長度為例如，有效工作長度為3m的光度導(dǎo)軌，若其最近工作距離為的光度導(dǎo)軌，若其最近工作距離為0.3m，則輻照，則輻照度可連續(xù)變化度可連續(xù)變化100倍；倍；6m有效工作長度的光度導(dǎo)軌則可使輻照度等連續(xù)變化有效工作長度的光度導(dǎo)軌則可使輻照度等連續(xù)變化400倍。倍。由于輻照度和距離的平方成反比例，所以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輻照度的測量精度。距離精度將直接影響輻照度的測量精度。 在光度導(dǎo)軌上測量時，光源至待測平面的最近工作距離在光度導(dǎo)軌上測量時，光源至待測平面的最近工作距離取決于用平方反比定律計算輻照度的允許誤差，可根據(jù)取決于用平方

6、反比定律計算輻照度的允許誤差，可根據(jù)允許的相對距離誤差允許的相對距離誤差 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量誤差小于要使距離引起的輻照度測量誤差小于0.2%0.2%，由輻照度和，由輻照度和距離的平方關(guān)系，則理論上距離測量誤差就應(yīng)小于距離的平方關(guān)系，則理論上距離測量誤差就應(yīng)小于0.1%0.1%，實(shí)際距離測量精度就應(yīng)好于實(shí)際距離測量精度就應(yīng)好于0.050.05，即，即1m1m測量距離的距測量距離的距離誤差小于離誤差小于0.5mm0.5mm。更近的測量距離要求距離精度更高，。更近的測量距離要求距離精度更高，故建議實(shí)際使用上測量距離至少應(yīng)大于故建議實(shí)際

7、使用上測量距離至少應(yīng)大于0.5m0.5m。 相對距離誤差相對距離誤差 要保持待測表面的距離指標(biāo)在同一垂直平面內(nèi)，或者要保持待測表面的距離指標(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。 一般可用一專用的距離規(guī)一般可用一專用的距離規(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，可精確測定。當(dāng)兩細(xì)絲的連的距離，可精確測定。當(dāng)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，可由共線時，可由A A點(diǎn)作為燈點(diǎn)作為燈絲位置距離測量的基準(zhǔn)。絲位置距離測量的基準(zhǔn)。 此外，燈絲平面、待測表面應(yīng)垂直

8、測量光學(xué)系統(tǒng)的光此外，燈絲平面、待測表面應(yīng)垂直測量光學(xué)系統(tǒng)的光軸，微量的不垂直有時會因光源的非朗伯輻射特性而造成軸，微量的不垂直有時會因光源的非朗伯輻射特性而造成一定距離處輻照度的測量誤差。一定距離處輻照度的測量誤差。 圖6-1 距離規(guī)圖6-2 光度導(dǎo)軌上標(biāo)定待測光源的裝置 標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源分別裝在左、右滑車上，標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源分別裝在左、右滑車上，光度導(dǎo)軌中間的滑車上裝有目視光度計。通過調(diào)節(jié)光度導(dǎo)軌中間的滑車上裝有目視光度計。通過調(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測量光軸垂直，這樣，來自兩光源的光從目視光計測量光軸垂直，這樣，來

9、自兩光源的光從目視光度計兩側(cè)進(jìn)入，并在其觀測視場內(nèi)合一。度計兩側(cè)進(jìn)入，并在其觀測視場內(nèi)合一。 圖圖6-3 Lummer - Brodhun目視光度計的結(jié)構(gòu)目視光度計的結(jié)構(gòu) 圖圖6-4 光度計兩側(cè)反差隨光度計兩側(cè)反差隨LA/LB的曲線的曲線 圖6-2 光度導(dǎo)軌上標(biāo)定待測光源的裝置 11中文名稱：中文名稱：積分球 英文名稱：英文名稱：integrating sphere 定義：定義：光度測用的中空球體。在球的內(nèi)表面涂有無波長選擇性的(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 E2與面元與面元2在球內(nèi)的在球內(nèi)的位置無關(guān)，即球內(nèi)任位置無關(guān)，即球內(nèi)任

10、一面元發(fā)出的福通量一面元發(fā)出的福通量在球內(nèi)各內(nèi)表面形成在球內(nèi)各內(nèi)表面形成的輻照度值正好等于的輻照度值正好等于該輻射通量除以球的該輻射通量除以球的內(nèi)表面面積。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 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，對各種波長的入射光線具有相同的漫反射比球內(nèi)沒有任何物體,光源也看作只發(fā)光而沒有實(shí)物的抽象光源n理想積分球理想積分球 積分球（光通球或球形光度計）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燈尺寸和功率大小而定,直徑D=1m、2m、3m等球壁上開一小窗口,其直徑d

11、r(燈的尺寸）球上開一個小門,或打開個口方便裝取燈,有接線架、燈頭、擋屏等 n理想積分球理想積分球 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 。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

12、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直接漫射光對它的輻照度貢獻(xiàn)外，還有表直接漫射光對它的輻照度貢獻(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

13、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對對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 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樣品、探測器等的開考慮到積分球可能有幾個樣品、探測器等的開孔，第孔，第i i個孔的反射比為個孔的反射比為 i i，開口面積和球內(nèi)表，開口面積和球內(nèi)表面積之比稱為開口系數(shù)面積之比稱為開口系數(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2

14、0000022444sEEEdEdARERR 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。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可寫出由表面可寫出由表面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 )對對dA 輻照度的貢獻(xiàn)分輻照度的貢獻(xiàn)分別為別為 2E0、 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)，積分球是個完整漫射球表面時，當(dāng)光源在積分球內(nèi)，積分球是個完整漫射球表面時，由于光輻射探測器是對輻照度的響應(yīng)，當(dāng)它放在球內(nèi)某一表面處時，其由于光輻射探測

15、器是對輻照度的響應(yīng)，當(dāng)它放在球內(nèi)某一表面處時，其輸出信號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，輸出信號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，該信號值表示光源在該信號值表示光源在4 立體角內(nèi)的總輻射通量。立體角內(nèi)的總輻射通量。使用注意事項：使用注意事項：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)會使積分球?qū)嶋H工作狀況偏會使積分球?qū)嶋H工作狀況偏離理想球。增大球的尺寸，可相對地減少遮蔽屏和物的影離理想球。增大球的尺寸，可相對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

16、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使用注意事項：使用注意事項：涂層的光譜反射比值對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( )( )1( )( )EE 若設(shè)若設(shè) ( )=0.98，照度的相對變化率約為反射比相對變化的，照度的相對變化率約為反射比相對變化的50倍。即涂倍。即涂層材料光譜反射比的少量變化，會引起出射輻照度相當(dāng)大的變化。為層材料光譜反射比的

17、少量變化，會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。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、海倫常用的有硫酸鋇、氧化鎂、海倫(聚四氟乙烯聚四氟乙烯)等，其光譜反射特性在等，其光譜反射特性在可見光和近紅外相當(dāng)平坦，漫射特性在小于可見光和近紅外相當(dāng)平坦，漫射特性在小于60以內(nèi)很好，反射比高以內(nèi)很好，反射比高達(dá)達(dá)0.98以上。以上。 使用注意事項：使用注意事項：涂層涂層積分球和探測器與光源一起工作時，應(yīng)作為一個整體來考積分球和探測器與光源一起工作時，應(yīng)作為一個整體來考慮其光譜特性。慮其光譜特性。要求高的涂層

18、反射比主要是為了增加出射窗處的輻亮度值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，因為積分球出射窗處的輻照度值和球半徑的平方成反比，球，因為積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，輻照度值將相當(dāng)?shù)汀］^大時，輻照度值將相當(dāng)?shù)?。?dāng)出射窗的輻照度要求不強(qiáng)，而要求輻照度的時間穩(wěn)定性當(dāng)出射窗的輻照度要求不強(qiáng)，而要求輻照度的時間穩(wěn)定性好時，可用反射比較低的涂層。這時涂層反射比的變化，球內(nèi)好時，可用反射比較低的涂層。這時涂層反射比的變化，球內(nèi)臟物對輻照度值的影響就較小。臟物對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，由于硫酸鋇等在波長大當(dāng)積分球工作在中遠(yuǎn)紅外譜段時，由于硫酸

19、鋇等在波長大于于2.5 m時時, 反射比下降很快，因此用作涂層材料性能較差。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，在硫是一種較理想的紅外漫射材料，在312 m的平均反射比的平均反射比高達(dá)高達(dá)0.94，只是在，只是在11.8 m處有一吸收帶處有一吸收帶, 其朗伯漫射特性和其朗伯漫射特性和硫酸鋇等相近硫酸鋇等相近(圖圖6-7)。 圖圖6-7 硫的光譜反射比及漫射特性硫的光譜反射比及漫射特性 使用注意事項：使用注意事項：出射窗口出射窗口出射窗應(yīng)當(dāng)選用無選擇性的透明材料。窗的位置離開球表面(圖6-8)會使部分球面積的光不能進(jìn)入出射窗。因為實(shí)際積分球的工作特性并非理想，

20、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分布典型的積分球典型的積分球恒溫積分球恒溫積分球直徑： 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可旋轉(zhuǎn)積分球可旋轉(zhuǎn)積分球6.3 6.3 單色儀單色儀 單色儀的構(gòu)思萌芽可

21、以追述到1666年，牛頓在研究三棱鏡時發(fā)現(xiàn)將太陽光通過三棱鏡太陽光分解為七色光。1814年夫瑯和費(fèi)設(shè)計了包括狹縫、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（即不同波長的混合光的光源）中得到單色光，通過光柵一定的偏轉(zhuǎn)的角度得到某個波長的光，并可以測定它的數(shù)值和強(qiáng)度。因此可以進(jìn)行復(fù)合光源的光譜分析。 單色儀用來將具有寬譜段輻射的光源分成一系單色儀用來將具有寬譜段輻射的光源分成一系列譜

22、線很窄的單色光，因而它既可作為一個可列譜線很窄的單色光，因而它既可作為一個可調(diào)波長的單色光源，也可作為分光器。調(diào)波長的單色光源，也可作為分光器。 單色儀是利用色散元件單色儀是利用色散元件(棱鏡、光柵等棱鏡、光柵等)對不對不同波長的光具有不同色散角的原理，將光輻射同波長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，并由入射狹縫和出射狹能的光譜在空間分開，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縫的配合，在出射狹縫處得到所要求的窄譜段光譜輻射。光譜輻射。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

23、散值應(yīng)盡可能大，鏡的色散值應(yīng)盡可能大， 在可見譜段，玻璃的色散值隨波長在可見譜段，玻璃的色散值隨波長的增大而減?。辉诩t外譜段的增大而減??；在紅外譜段材料的工作譜段內(nèi)材料的工作譜段內(nèi), , 色散值隨波長的增大而增加。當(dāng)單色儀工作在相色散值隨波長的增大而增加。當(dāng)單色儀工作在相當(dāng)寬譜段范圍內(nèi)時當(dāng)寬譜段范圍內(nèi)時, , 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 主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：角色散角色散角色散表示色散元件分開不同波長輻射能的能力。角色散表示色散元件分開不同波長輻射能的能力。對于棱鏡，角色散為對于棱鏡，角色散

24、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。是棱鏡材料的色散值。主要性能指標(biāo)：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分開的程度。線色散表示在出射狹縫平面上相鄰波長分開的程度。由幾何關(guān)系不難寫出由幾何關(guān)系不難寫出f 2是第二物鏡的焦距。是第二物鏡的焦距。主要性能指標(biāo)：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 ，表示波長為，表示波長為 和波長為和波長為 +d 的色光剛能分開的能力。對于某一波長的色光剛能分開的能力。

25、對于某一波長 ，其與相鄰色光，其與相鄰色光剛能分開的剛能分開的d 越小，說明棱鏡的光譜分辨能力越高。越小，說明棱鏡的光譜分辨能力越高。根據(jù)方孔衍射極限角分辨率根據(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即對應(yīng)狹縫寬度趨近于零時，棱鏡的最大理論分辨率和棱鏡的尺即對應(yīng)狹縫寬度趨近于零時，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

26、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。圖圖6-13 入射縫寬對像平面上光譜輻照度分布的影響入射縫寬對像平面上光譜輻照度分布的影響 設(shè)某光源有兩條相鄰的譜線，在一定入射縫寬時, 它們在出射縫平面上的 輻 照 度 分 布 如 圖 6 -13(a)。當(dāng)入射縫寬增加時, 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, 兩光譜線的像互相重疊而不能區(qū)分(圖6-13 (b)。圖圖6-13 入射縫寬對像平面上光譜輻照度分布的影響入射縫寬對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

27、兩個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，使譜線有滿意的輻照度，入射縫寬應(yīng)使譜線如圖6-13(c)。 圖圖6-14 出射光譜輻照度隨入射、出射狹縫寬的變化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，波長0、入射狹縫寬像為a的光譜能量能全部透過出射狹縫，而波長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(圖(b)，譜段變寬，輻照度

28、增大。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 是相對透射值為最大值一是相對透射值為最大值一半時所對應(yīng)的光譜寬度。故當(dāng)半時所對應(yīng)的光譜寬度。故當(dāng)a aa a時，平均光譜寬度時，平均光譜寬度 不變；而只不變；而只有有a a a a時，時， 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，兩個準(zhǔn)直物鏡的焦距兩個準(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

29、，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。1( )( )idLsd/(/)idadl d121( )( ) ( )( ) ( )aa hs 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； 是由第一物鏡所對入射縫面積的是由第一物鏡所對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。長。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

30、允許入射狹縫處縫寬為d i的光通過，則的光通過，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于線光譜，出射光譜輻射通量與縫寬無關(guān)對于線光譜，出射光譜輻射通量與縫寬無關(guān)(縫要大于該譜線像的寬度縫要大于該譜線像的寬度)，則，則6.3.2 光柵單色儀 6.3.2 光柵單色儀 參數(shù)：參數(shù)：n光柵的角色散光柵的角色散n線色散線色散 n光譜分辨率光譜分辨率 6.3.2 光柵單色儀 6.3.2 光柵單色儀 如果對應(yīng)某一波長，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的函數(shù)，以致色散小的小譜區(qū)因

31、其光譜分辨率低而難以應(yīng)用)。/d dmb 6.3.2 光柵單色儀 各級光譜能量的分布如圖6-17所示。由于通過光柵的能量大部分集中在無法使用的零級光譜，而其它譜級的能量迅速減弱。為了最大限度地提高光能利用的可能性，炫耀光柵得到了廣泛的應(yīng)用。6.3.2 光柵單色儀 每個刻痕的斷面都相當(dāng)于一個小反射鏡，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次的波段范圍內(nèi)。具有這種特性的光柵稱為定向光柵或炫耀光柵。 6.3.2 光柵單色儀 bmi)sin()sin(。 sinsinnis 與炫耀角 對應(yīng)的在m級光譜能量有最大值的波長稱為炫耀波長，記為 B使單個刻槽面衍射的中央極大

32、和諸槽面間干涉零級主極使單個刻槽面衍射的中央極大和諸槽面間干涉零級主極大分開，將光能從干涉零級主極大，即零級光譜轉(zhuǎn)移并大分開，將光能從干涉零級主極大，即零級光譜轉(zhuǎn)移并集中到某一級光譜上去，實(shí)現(xiàn)該級光譜的閃耀。集中到某一級光譜上去，實(shí)現(xiàn)該級光譜的閃耀。6.3.2 光柵單色儀 規(guī)定能量下降到炫耀波長對應(yīng)能量的一半時兩側(cè)的所確定的波長范圍作為可用光譜區(qū) minmax, 1/21/2BBmmmaxmin11() , ()22BBmm/mBm6.3.2 光柵單色儀 例例1：要測量0.41.1m譜段的輻射通量，應(yīng)選什么樣的光柵參數(shù)？maxminmaxmax31, , 222BBB6.3.2 光柵單色儀 2

33、50009090170452B0.5867Bmax3255682Bmin0.39min185232B cm-1m cm-1 cm-1mm例例1：要測量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。 2sin/Bb17. 1max6.3.2 光柵單色儀 為消除光譜級間的重疊常常使用分級元件(如濾光片、附加棱鏡等) 6.3.2 光柵單色儀 例例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(m)minBmax第一塊光柵0.60.91.8第二塊光柵1.82.75.4第

34、三塊光柵5.48.116.26.3.2 光柵單色儀 為消除光譜級的重疊，仍可用例1中所說的適時加濾光片的方法。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, N2=167線/mm338.1182sin2 0.225Bbm/線, N3=56線/mm6.3.2 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M1變成平行光照射到光柵上，再經(jīng)過光柵衍射返回到M1，經(jīng)過M2會聚到出射狹縫S2，由于光柵的分光作用，從S2出射

35、的光為單色光。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動時，從S2出射的光由短波到長波依次出現(xiàn)。 6.3.2 光柵單色儀 6.3.3 使用單色儀的幾個問題n入射狹縫像的彎曲入射狹縫像的彎曲 6.3.3 使用單色儀的幾個問題n入射狹縫像的彎曲入射狹縫像的彎曲 n若使出射狹縫和入射狹縫等寬，則出射狹縫上的光譜輻亮度不均勻。當(dāng)要求出射狹縫光譜輻亮度均勻時，出射狹縫應(yīng)開得比入射狹縫窄(如圖6-20中A-A限定的寬度)。n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。 6.3.3 使用單色儀的幾個問題n雜散光的影響雜散光的影響 n單色儀不可避免地會有內(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

36、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，都會使一部分其它波長的光能散射到出射狹縫上。圖6-23畫出了一種單色儀的理想光譜透射及其實(shí)測曲線。n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單色儀的串接，第一單色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的光能在經(jīng)過第二單色儀時，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。n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)過兩級單色儀后，損失增大，故使用時光源應(yīng)足夠強(qiáng)。6.3.3 使用單色儀的幾個問題n波長

37、的標(biāo)定波長的標(biāo)定n單色儀經(jīng)過一段時間的使用，由于溫度影響、機(jī)械結(jié)構(gòu)松動、固有的結(jié)構(gòu)間隙等，使得單色儀的波長刻度往往與實(shí)際出射光的波長不能準(zhǔn)確地吻合，定期進(jìn)行波長標(biāo)定十分必要。n紅外單色儀波長標(biāo)定的過程大致相同，常用已知波長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，激光光源也是很好的標(biāo)定光源。n標(biāo)定可見譜段的波長時，由于一般譜線較亮，狹縫應(yīng)盡可能窄(如0.1mm)。 6.3.3 使用單色儀的幾個問題n溫度對測量的影響溫度對測量的影響n溫度使材料的折射率發(fā)生變化，故儀器工作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)控制在土所在環(huán)境溫度的變化應(yīng)控制在土10 C以內(nèi)。以內(nèi)。尤其是紅外分光棱鏡，色散小，光譜分辨率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裝定誤差就更大。低，溫度變化引起的波長裝定誤差就更大。 6.4 分光光度計和光譜輻射計 在光輻射測量中，分光光度計主要用于測量材料光譜反射比