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辐射光谱测量解决方案

辐射度学(radiology)是一门以整个电磁波段的电磁辐射能测量为研究对象的科学。辐射度量是用能力单位描述辐射能的客观物理量。光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量。

辐射测量可以用于测量发光光源,也可以用于测量反射光。

太阳辐射:99.9%的能量集中在0.2~10um。其中太阳光谱在0.29~3um97%,称为短波辐射。

1. 紫外辐射:波长小于0.4um

2. 可见光辐射:0.4~0.76um

3. 红外辐射:波长大于0.76um

4. 地球辐射:是地表、大气、气溶胶、云层所发射的长波辐射。3~100um

辐射测量可对上升流辐射和下降流辐射进行检测,上升流辐射可以是反射的日光,也可以是地面发射光,它是垂直地面向上的辐射。下降流辐射是从太阳或者大气层垂直指向地面的辐射。这两种辐射之间的联系可以用来获得植被,森林,海床以及更多地方的光谱。

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一、辐射光谱原理

所有的电磁辐射都是光,可见光是光谱中人眼能看到的唯一部分。通常,人眼可以检测到380~700nm的可见光波长。在人的一生中,我们的眼睛一直依赖于这一窄波段的电磁辐射来收集关于世界的信息。

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辐射量

辐射度就是辐射强度描述的能量照射到物体表面上的能量因为辐射强度没有变化会随着照射的面积的变化而变化。

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平面角与单位立体角

辐射通量是指单位时间内释放、反射、透射或接受的能量,有时也称为“辐射功率”。单位是Wlm

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辐照度是是每(垂直/投影)单位面积入射到一个表面上一点的辐射通量,即入射到单位接收表面积上的辐射功率。单位是W/m²。

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辐射亮度是指扩散源在某方向上单位投影面积和单位立体角内发射的辐射功率,可以认为是一束光子沿着某个方向运动。单位是W/(sr*m²)

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光度量

辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量。光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量,即光度量是具有平均人眼视觉响应特性的人眼所接收到的辐射量的度量。

光通量定义为单位时间内的光流量。以流体作为比方,它类似于每分钟流过多少升水。光的流量是指光源所产生的总的光能,没有指定方向、距离或强度。表示从此光源中放射出来的光的量的用语叫光通量。单位是lm


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光照度是指光源照射到物体表面一个面元上的光通量除以该面元的面积,即单位面积上所接收的光通量大小。单位是lxlm/m²)。

光亮度光亮度又称发光率,是指一个表面的明亮程度,以L表示, 即从一个表面反射出来的光通量。或者说是指在某方向上单位投影面积的面光源沿该方向的发光强度。单位是c/m²或lmm²*sr)。


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光通量、光强、照度、亮度之间的关系示意图

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色度学

物理学里面,研究的是光的客观属性及其规律,色度学里面,研究的是人眼感知的主观属性及其规律,所以色度学是建立在人眼的基础之上的。人类有三种锥细胞,红色光刺激红细胞,蓝色光刺激蓝细胞,绿色光刺激绿细胞,而黄色光既可以刺激绿细胞,也可以刺激红细胞。

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色光三原色

颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。因而物体的颜色不仅取决于物体本身,还与光源、周围环境的颜色,以及观察者的视觉系统有关系。一般来说可见光谱上的各种颜色随光强度的增加而有所变化(向红色或蓝色变化)。这种颜色随光强度而变化的现象﹐叫做贝楚德-朴尔克效应。但在光谱上黄(527nm)﹑绿(503nm)﹑蓝(478nm)三点基本上不随光强而变。

如果被测定的有色物质的每个三刺激值被三个总和除,则每种原色在总刺激部分中所占的比例就极易得到,因为它们的总数为1,0000。两个系数就足可说明色性了。这种比例数值就叫色性坐标,或色性系数,也叫三色系数。显然,所谓色性系数,就是指某原色的刺激量在三种原色的总刺激量中所占的比例。

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CIE 1931光谱三刺激值曲线                              色度图

三刺激值:

X = K * Σ ( φ(λ) * x(λ) * Δλ )

Y = K * Σ ( φ(λ) * y(λ) * Δλ )

Z = K * Σ ( φ(λ) * z(λ) * Δλ )

其中:

K:归一化系数

φ(λ):色刺激函数

x(λ)、y(λ)、z(λ):色匹配函数

Δλ:积分步距,通常5nm或1nm


二、辐射光谱测量方案

一般来说辐射测量系统由光谱仪、光纤、积分球(余弦矫正器)、支架组成,系统测量待测光源前需要使用标准光源定标。

测待测物品:辐照度测量需要一已知辐射能量分布的标准光源,通过经过定标的标准光源以及光纤光谱仪即可测得待测物的光谱辐射能量分布曲线,通过辐射能量分布曲线可进一步计算出辐照度、辐射通量等参数。

测待测光源:利用3044am永利集团的光谱仪对光的响应特点模拟出待测光源的辐射能量分布,从而计算辐照度、亮度等参数。样品的辐射光谱与具有黑体辐射能量分布归一件化为1的标准灯辐射光谱的比值需将标准灯先行置于光路中测得其光谱为本次测量的参考光谱然后再用待测辐射源代替标准灯,并将系统切换至相对辐射模式即可进行测量。

积分球光采集

光源在内:

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测试原理图

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实物连接图

测量过程中首先必须保存暗光谱和参考光谱然后再开始一系列的测试若中途更改采集参数和测量环境如积分时间、平均化次数、平滑次数或更换光纤等则必须重新保存暗光谱和参考光谱。为保证参考光谱的稳定性所使用的照明光源必须稳定且在测量过程开始前就已经稳定输出。同时在一次测量中必须保证各接口的相对位置保持不变如照明光源与光纤探头的相对位置样品与光纤探头的相对位置等。

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辐照度测试软件界面

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光源在内:

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测试原理图

通常可用于灯具等较大的发光物体,积分球在成理想条件下,能将待测光源辐射出来的光散射成积分球内壁单位面积照度一致,且创造一个暗室环境,避免杂散光的影响。一般,为了避免被测光源直接辐射到探头,一般会增加挡板,挡板带来的误差,与第二步一起校准。

LED辐射测量积分球选择:

1. 4π测量:主要应用于灯具、灯带等发光面积较大的产品测试。

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2. 2π测量:主要应用于LED灯珠、二极管等单一小发光源的产品测试。

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余弦探头光采集

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利用余弦探头进行光信号采集,进行待测光源辐照度测量。针对不同的光源可采用不同直径的余弦探头。

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采集示意图

镜头光采集

利用镜头进行光信号采集,进行待测光源的辐射亮度,光谱辐射亮度,发光强度,光亮度等与接收角度有关的辐射参数测量。

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采集示意图

三、应用案例

1. LED光源辐照度测试:

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2.太阳光谱研究:获得太阳光谱的能量分布、测量太阳、大气的辐照能量或者照射到物体上反射的二次辐照。

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3.显示器的颜色监控:获得显示器的亮度值

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4.光源参数测量、发光特性测量

5.太阳模拟器光谱匹配度测试

6. LED路灯在线质量控制


在辐射光谱测量中,不同的实验目的需要配置不同的实验仪器,接下来将针对辐射光谱测量解决方案光谱的仪器配置方面进行详细介绍。

Ø 光谱仪

使用时可根据待测光源的发光强度强弱配置LISpec-UV100、LISpec-HS400、LiSpec-HSR100-TEC系列光谱仪3044am永利集团的光谱仪拥有独有降噪低噪声电路控制技术,光谱仪暗噪声极低,具有优良的稳定性高信噪比。

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Ø 光源:

在不同的测试需求中,可选择不同的标准灯泡作为光源。

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光通量标准灯泡                       发光强度标准灯泡

Ø 积分球:

积分球进行光采集是最常用的LED辐射测量方式,要根据测试产品的发光面大小、测试方式来进行积分球的选择。

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Ø 镜头:

LS-FOL 光纤准直聚焦镜头。用镜头进行光信号采集,可根据需求选择镜头的角度,主要是用来测量积分球无法测量的需要经过角度换算的一些参数

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Ø 余弦辐射探头:

使用余弦辐射探头进行光采集的优点是系统搭建方便,采集模块体积小,性价比高;缺点是对环境要求较高,需全暗环境,且测试精度较积分球测试差,受外界影响波动比较大。

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