積分球式標準光源

JJF1990—20221積分球式標準光源校準規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于積分球式標準光源的光譜輻射亮度、亮度和色度參數校準。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:JJG211亮度計檢定規(guī)程JJG213分布(顏色)溫度標準燈檢定規(guī)程CIE15:2004色度學(Colorimetry)凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3術語3.1(輻射)亮度面不均勻性(spectralradiance)luminancespatialnon-uniformity積分球式標準光源出光口平面不同位置法向(光譜輻射)亮度的差異。3.2(輻射)亮度角度不均勻性(spectralradiance)luminanceangularnon-uniformity相對積分球式標準光源出光口平面中心法向不同角度(光譜輻射)亮度的差異。4概述積分球式標準光源通常用于電荷耦合器件(chargedcoupleddevice,簡稱CCD)校正和光譜儀器校正,為數碼相機、CCD和空間探測器校準提供準確可靠的計量標準。圖1給出了兩種常見的積分球式標準光源(以下簡稱積分球光源)示意圖。積分球光源通常至少由一個積分球和內置或外置光源組成。光源通常為鹵鎢燈、發(fā)光二極管光源(tiqhtemittingdiode光源,簡稱LED燈)或氙燈。光源和積分球出光口之間設置擋板,確保光源發(fā)出的光無法直接到達積分球出光口,積分球內的光經過內壁涂層多次反射,使得積分球內壁的輻射均勻,從而保證出光口均勻性良好。積分球內壁通常均勻涂有白色漫反射材料,漫反射材料在工作段的反射比盡可能接近1,如聚四氟乙烯、硫酸鋇或氧化鎂等。根據工作譜段的不同,積分球內壁涂層也可以采用鍍鋁或鍍金的設計。2(a)內置光源積分球可變光闌擋板出光口(b)外置光源5計量特性5.1穩(wěn)定性穩(wěn)定后1h的(光譜輻射)亮度最大相對變化：≤0.5%。5.2(輻射)亮度面不均勻性出光口面積的80%(光譜輻射)亮度不均勻性：≤2.0%。5.3(輻射)亮度角度不均勻性出光口中心處的(光譜輻射)亮度角度不均勻性：≤3.0%,5.4光譜輻射亮度范圍不超過(10-4～103)W/(m2·n色溫：≥2000K。5.7色品坐標范圍注：以上指標不用于合格性判定，僅供參考。角度不均勻性分為水平和垂直方向，根據客戶要求校準。若積分球光源存在亮度或色溫顯示值，計量特性可按照7.2.6或7.2.7考察亮度示值誤差或色溫示值誤差。6校準條件6.1環(huán)境條件相對濕度：≤80%;其他要求：校準環(huán)境應采取遮光措施，在光路中放置光闌和擋屏，減少雜散輻射影響。周圍環(huán)境應無影響測量系統(tǒng)正常工作的雜散輻射、機械振動和電磁干擾。6.2測量標準及其他設備6.2.1光譜輻射亮度標準光源(光譜輻射亮度標準燈或積分球光源)的年變化率要求如下：JJF1990—20223光譜輻射亮度標準燈:年變化率不超過±1.0%;積分球光源光譜輻射亮度:年變化率不超過±2.0%。6.2.2光譜輻射照度標準燈:年變化率不超過±1.0%。6.2.3光譜輻射亮度計:波長(250~1000)nm,帶寬≤5nm,波長示值誤差不超過±1nm,雜散光抑制比優(yōu)于6×10-4;波長(1001~2500)nm,帶寬≤15nm,波長示值誤差不超過±2nm,雜散光抑制比優(yōu)于1×10-3。最小采樣間隔≤5nm,非線性≤1.0%。6.2.4亮度計:標準級。6.2.5顏色溫度標準燈:一級。6.2.6標準白板:反射比年變化率不超過鶺1.0%。6.2.7直流穩(wěn)壓電源:電壓連續(xù)可調,電壓隨時間的相對漂移:≤5×10-5h-1。6.2.8標準電阻:0.01級。6.2.9數字電壓表:0.01級。7校準項目和校準方法7.1校準項目7.1.1穩(wěn)定性7.1.2(輻射)亮度面不均勻性7.1.3(輻射)亮度角度不均勻性7.1.4光譜輻射亮度7.1.5亮度7.1.6色溫7.1.7色品坐標注:校準項目根據客戶需要確定。7.2校準方法7.2.1校準前檢查用目視方法對積分球光源進行外觀檢查。積分球光源應工作正常,內壁不存在明顯脫落,積分球內部擋板應有效遮擋光源,光源連線沒有斷裂。7.2.2穩(wěn)定性(1)點亮積分球光源,預熱時間應不少于20min。(2)采用光譜輻射亮度計測量積分球光源在特定波長處(如λ=555nm)的光譜輻射亮度值變化,或采用亮度計測量光源的亮度值變化,保證測量儀器主軸沿積分球光源出光口平面中心法線方向。記錄初始值后,每間隔5min記錄一次,1h內共記錄13個(2)采用光譜輻射亮度計測量積分球光源在特定波長處(如λ=555nm)的光譜輻ΔL=×100%(1)式中:ΔL—最大相對變化;4L—1h內的(光譜輻射)亮度平均值；Lmax——1h內的(光譜輻射)亮度最大示值；Lnin1h內的(光譜輻射)亮度最小示值。(3)測量完畢，緩慢降低積分球光源電流，關閉并移除積分球光源。7.2.3(輻射)亮度面不均勻性重復7.2.2步驟(1)。采用(光譜輻射)亮度計，選取積分球開口的9個位置進行測量，保證測量儀器主軸沿積分球光源出光口平面中心法線方向。圖2給出了O,A,B,C,D,E,F,G和H共計9個測量點。圖2中，O為積分球開口中心，A～H8個點均勻分布在以O點為中心的圓上。OA的長度為積分球開口半徑的9/10。(輻射)亮度面不均勻性(以下簡稱面不均勻性)由公式(2)計算：L,面不均勻性測量平均值；L;——第i(i=A,B,C,…,H)個位置的測量值；Lo——中心點的測量值。7.2.4(輻射)亮度角度不均勻性(1)按照圖3(a)將(光譜輻射)亮度計安裝在水平(或垂直)變角導軌上，變角導軌的圓心位于積分球光源出光口的中心，(光譜輻射)亮度計光軸正對積分球光源出光口，并沿變角導軌移動；或按照圖3(b)固定(光譜輻射)亮度計，將積分球光源安裝在水平(或垂直)旋轉平臺上，(光譜輻射)亮度計光軸正對積分球光源出光口中心，保證過積分球光源出光口中心的垂直直徑與轉臺轉軸重合，改變積分球光源旋轉角度。(2)重復7.2.2步驟(1)。5(3)以積分球光源出光口中心的法線為起始軸線，每隔5°,采用(光譜輻射)亮度計，分別記錄0°,±5°,±10°,±15°,±20°,±25°的示值。(a)固定積分球光源(b)固定(光譜輻射)亮度計(4)(輻射)亮度角度不均勻性(以下簡稱角度不均勻性)根據公式(3)計算：△L角——角度不均勻性；L;——不同角度的測量值，其中i=1,2,…,5,L;——不同角度的測量值，其中j=6,7,…,10,7.2.5光譜輻射亮度對應5°,10°,…,25°;對應-5°,-10°,…,一25°。(a)采用光譜輻射亮度標準光源校準(b)采用光譜輻射照度標準燈和標準白板校準(1)采用光譜輻射亮度標準光源作為計量標準器時，按照圖4(a)調節(jié)標準光源使得發(fā)光平面中心法線方向與光譜輻射亮度計光軸重合，并使標準光源校準平面清晰成像；采用光譜輻射照度標準燈和標準白板作為計量標準器時，按照圖4(b)調節(jié)光譜輻射照度標準燈出光平面中心法線與標準白板中心法線重合，使光譜輻射亮度計光軸與標準白板中心法線呈45°角，并使標準白板成像清晰。JJF1990—20226(2)點燃標準光源,緩慢將電流升至工作電流。同時預熱光譜輻射亮度計和標準光源,預熱時間不少于20min。(3)采用標準光源校準光譜輻射亮度計。(4)校準后移除標準光源。(5)安裝并調節(jié)積分球光源,使其出光口平面中心法線方向與光譜輻射亮度計光軸重合,并使積分球光源出光口平面清晰成像。(6)重復7.2.2步驟(1),采用光譜輻射亮度計測量。積分球光源的光譜輻射亮度由公式(4)計算:Lλ='Lλ'(4)式中:Rλ—光譜輻射亮度計測量積分球光源波長λ處的測量值;Rλ'—光譜輻射亮度計測量標準光源波長λ處的測量值;Lλ—積分球光源波長λ處的光譜輻射亮度值,W/(m2·nm·sr);Lλ'—標準光源波長λ處的光譜輻射亮度值,W/(m2·nm·sr)。7.2.6亮度(1)按照圖4(a)安裝并調節(jié)積分球光源,使得積分球光源出光口平面中心法線方向與亮度計光軸重合。若采用成像式亮度計,應保證積分球光源出光口平面清晰成像。(2)重復7.2.2步驟(1),采用亮度計測量。若積分球光源有亮度顯示值,采用公式(5)計算亮度相對示值誤差:ΔL亮=-1×100%(5)式中:ΔL亮—積分球光源亮度相對示值誤差;L—積分球光源的顯示值,cd·m-2;L'—亮度計的測量值,cd·m-2。7.2.7色溫(1)按照圖4(a)示意圖安裝光譜輻射亮度標準光源,使得出光口平面主軸與光譜輻射亮度計主軸重合,并清晰成像出光口平面;或按照圖4(b)示意圖安裝顏色溫度標準燈和標準白板,使得標準燈發(fā)光平面中心法線與白板中心法線重合,調節(jié)光譜輻射亮度計光軸與白板中心法線呈45°角,并使白板平面成像清晰。(2)點燃標準光源,將標準光源電流緩慢升至工作電流。同時預熱光譜輻射亮度計和標準光源,預熱時間不少于20min。(3)光譜輻射亮度計校準波長范圍(380~780)nm,波長間隔不大于5nm。(4)校準后移除標準光源,使用校準后的光譜輻射亮度計測量積分球光源。(5)安裝并調節(jié)積分球光源角度和距離,使得積分球光源出光口平面中心法線方向與光譜輻射亮度計光軸重合,保證積分球光源出口平面清晰成像。(6)重復7.2.2步驟(1),采用光譜輻射亮度計測量積分球光源相對光譜功率7分布。(7)根據附錄E計算積分球光源色溫。若積分球光源有色溫顯示值,根據公式(6)計算色溫示值誤差:ΔT=T-T'(6)式中:ΔT—積分球光源色溫示值誤差,K;T—積分球光源色溫的顯示值,K;T'—積分球光源色溫的計算值,K。7.2.8色品坐標根據7.2.7測量的相對光譜功率分布計算積分球光源色品坐標,計算方法見附錄E。8校準結果表述校準結果以校準證書(或校準報告)的形式給出。校準證書至少應包括下列信息:a)標題:“校準證書”;b)實驗室名稱和地址;c)進行校準的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書或報告的唯一性標識(如編號),每頁及總頁數的標識;e)客戶的名稱和地址;f)被校對象的描述和明確標識;g)進行校準的日期,如果與校準結果的有效性和應用有關時,應說明被校對象的接收日期;h)如果與校準結果的有效性和應用有關時,應對抽樣程序進行說明;i)對校準所依據的技術規(guī)范的標識,包括名稱及代號;j)本次校準所用測量標準的溯源性及有效性說明;k)校準環(huán)境的描述;l)校準結果及測量不確定度的說明;m)對校準規(guī)范的偏離的說明;n)校準證書或校準報告簽發(fā)人的簽名、職務或等效標識,以及簽發(fā)日期;o)校準結果僅對被校對象有效的聲明;p)未經實驗室書面批準,不得部分復印證書或報告的聲明。9復校時間間隔積分球式標準光源的復校時間間隔建議一般不超過1年。由于復校時間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器自身質量等諸因素所決定的,因此送校單位可根據實際使用情況自主決定復校時間間隔。JJF1990—20228附錄A積分球式標準光源測量不確定度評定示例—光譜輻射亮度本附錄對積分球光源的光譜輻射亮度結果進行不確定度評定。A.1不確定度來源積分球光源光譜輻射亮度測量由公式(4)給出,采用相對測量不確定度描述,測量不確定度來源包括:光譜輻射亮度計,積分球光源的測量重復性,積分球光源穩(wěn)定性、均勻性,以及其他不確定度來源。假設各不確定度來源之間互不相關,則不確定度根據公式(A.1)計算:urel(L)=urel(L)(A.1)A.2測量不確定度評定示例該分量各個波長點都不同,本示例以下皆采用555nm光譜輻射亮度評定。A.2.1光譜輻射亮度計校準的相對標準不確定度u1rel采用光譜輻射照度標準燈和標準白板校準,光譜輻射亮度計校準的相對標準不確定1l=源測量重復性引入的相對標準不確定度u2rel表A.1給出了重復性采集的數…,10),單位:W/(m2·nm·sr)。測量次數12345測量結果4.363E-24.358E-24.403E-24.375E-24.396E-2測量次數678910測量結果4.384E-24.368E-24.381E-24.388E-24.375E-2的相對標準不確定度u2rel。10次測量的平均值λ=4.379E-2,的相對標準不確定度u2rel。u2rel=n-∑(Lλi-Lλ)2i=1=n-1=-Lλ10-λiλ∑(L-L)λiλi=110-1 Lλ=0.33%(A.2)A.2.3積分球光源穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度u3rel表A.2給出了不同時間的測量值,單位:W/(m2·nm·sr)。每個測量值為10次測量的平均值。根據貝塞爾公式計算穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度u3rel=0.17%。JJF1990—20229表A.21h穩(wěn)定性測量數據時間/min051015202530測量結果4.375E-24.379E-24.375E-24.380E-24.388E-24.381E-24.376E-2時間/min354045505560測量結果4.385E-24.389E-24.395E-24.387E-24.394E-24.394E-2A.2.4積分球光源面不均勻性引入的相對標準不確定度u4rel表A.3給出積分球光源9個位置的測量數據,單位:W/(m2·nm·sr)。表A.3面不均勻性測量的數據位置OABCDEFGH測量結果4.388E-24.383E-24.362E-24.367E-24.397E-24.375E-24.371E-24.383E-2采用極差法根據公式(A.3)計算面不均勻性引入的相對標準不確定度u4rel。u4rel=Lλ,max-Lu4rel=-C9×Lλ=0.27%(A.3)尺寸的光譜輻射亮度,則面不均勻性帶來的測量不確定度以客戶要求尺寸評定。A.3合成標準不確定度其中,C9=2.尺寸的光譜輻射亮度,則面不均勻性帶來的測量不確定度以客戶要求尺寸評定。A.3合成標準不確定度積分球光源光譜輻射亮度不確定度的各分量如表A.4所示。表A.4積分球光源光譜輻射亮度不確定度分量列表光譜輻射亮度不確定度分量不確定度來源相對標準不確定度%u1rel光譜輻射亮度計校準0.90u2rel積分球光源測量重復性0.33u3rel積分球光源穩(wěn)定性0.17u4rel積分球光源面不均勻性0.27以上各不確定度分量不相關,因此合成標準不確定度計算如下:ucrel==1.02%A.4擴展不確定度取k=2,則擴展不確定度為:Urel取k=2,則擴展不確定度為:JJF1990—202210附錄B積分球式標準光源測量不確定度評定示例—亮度和色品坐標本附錄對積分球光源的亮度和CIEx-y色品圖色品坐標測量結果進行不確定度評定。B.1不確定度來源積分球光源亮度示值誤差由公式(B.1)給出:-ΔY=Y-Y0-Δx=x-x0(B.1)-Δy=y-y0式中:-Y—積分球光源亮度顯示平均值,cd·m-2;Y0—亮度標準值,cd·m-2;--x,y—積分球光源色品坐標顯示平均值;x0,y0—色品坐標標準值。由測量模型可得靈敏系數:=-=1=-=1(B.2)=-=1不確定度來源包括:亮度計,積分球光源穩(wěn)定性、均勻性、積分球光源的裝調重復性,以及其他不確定度來源。B.2測量不確定度評定示例B.2.1亮度輸入量的相對不確定度分量評定-B.2.1.1由測量重復性引入的相對標準不確定度u1rel(Y)在重復性條件下進行10次測量,所得數據見表B.1,單位:cd鷠m-2。表B.1亮度重復性的測量數據序號12345678910顯示值998.8998.3998.8998.6999.1999.2999.5998.3998.5998.6-10次測量的平均值Y=0.04%。-==998.8,單次實驗標準差s-=JJF1990—202211每個測量點測量1次,則:u1rel(Y)=s(Y)=0.04%(B.3)B.2.1.2由上級量傳的標準值引入的相對標準不確定度u2rel(Y0)由JJG211《亮度計》檢定規(guī)程及上級檢定證書可知,標準亮度計的Urel(Y0)為(1.0~1.3)%(k=2),取其相對標準不確定度為:u2rel(Y0)==0.65%B.2.1.3積分球光源穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度u3rel(Y)穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度由A.2.3給出:u3rel(Y)=0.17%B.2.1.4積分球光源面不均勻性引入的相對標準不確定度u4rel(Y)面不均勻性引入的相對標準不確定度由A.2.4給出:u4rel(Y)=0.27%B.2.2色品坐標輸入量的不確定度分量評定B.2.2.1由測量重復性引入的相對標準不確定度u1(x)和u1(y)在重復性條件下進行10次測量,所得數據見表B.2。表B.2色度重復性的測量數據(B.4)(B.5)(B.6)序號12345678910平均值x0.44840.44850.44860.44840.44860.44840.44860.44860.44840.44850.4485y0.40820.40820.40850.40820.40820.40830.40830.40820.40830.40820.4083單次實驗標準差:=0.0001=0.0001=0.0001s(x)=s(y)=每個測量點測量1次,則:(yi-y)2u1(x)=u1(y)=0.0001(B.7)B.2.2.2由上級量傳的標準值引入的相對標準不確定度u2(x0)和u2(y0)由JJG211《亮度計》檢定規(guī)程及上級檢定證書可知,標準亮度計的色品坐標U(:=0.0008(k=2)。u2(x0)==0.0006u2(y0)==0.0004(B.8)B.2.2.3積分球光源穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度u3(x)和u3(y)穩(wěn)定性的色溫漂移小于3K,帶來的x,y變化<0.001,按均勻分布處理,其相對JJF1990—202212標準不確定度為:u3(x)=u3(y)=≈0.0006(B.9)B.2.2.4積分球光源面不均勻性引入的相對標準不確定度u4(x)和u4(y)面不均勻性的色溫差異小于3K,帶來的x,y變化<0.001,按均勻分布處理,其相對標準不確定度為:u4(x)=u4(y)=≈0.0006。(B.10)B.2.3不確定度分量計算B.2.3.1亮度不確定度分量積分球光源亮度不確定度分量列表見表B.3。第5列是第3列與第4列乘積的絕對值。表B.3積分球光源亮度不確定度分量列表亮度不確定度分量不確定度來源輸入量的相對標準不確定度靈敏度系數輸出量的相對標準不確定度% u1rel(Y) 測量重復性0.04%10.04%u2rel(Y0)上級量傳0.65%-10.65% u3rel(Y) 光源穩(wěn)定性0.17%10.17% u4rel(Y) 光源面均勻性0.27%10.27%B.2.3.2色品坐標不確定度分量積分球光源色品坐標x不確定度分量列表見表B.4。第5列是第3列與第4列乘積的絕對值。表B.4積分球光源色品坐標x測量不確定度列表色品坐標x不確定度分量不確定度來源輸入量的標準不確定度靈敏度系數輸出量的標準不確定度 u1(x) 測量重復性0.000110.0001u2(x0)上級量傳0.0006-10.0006 u3(x) 光源穩(wěn)定性0.000610.0006 u4(x) 光源面均勻性0.000610.0006積分球光源色品坐標y不確定度分量列表見表B.5。第5列是第3列與第4例乘積的絕對值。13表B.5積分球光源色品坐標y測量不確定度列表色品坐標y不確定度分量不確定度來源輸入量的標準不確定度靈敏度系數輸出量的標準不確定度 u1(y) 測量重復性0.000110.0001u2(y0)上級量傳0.0004-10.0004 u3(y) 光源穩(wěn)定性0.000610.0006 u4(y) 光源面均勻性0.000610.0006B.2.4合成標準不確定度各標準不確定度分量彼此不相關,則合成標準不確定度為:ucrel(ΔY)==0.73%uc(Δx)==0.0010uc(Δy)==0.0010B.2.5擴展不確定度取k=2,則擴展不確定度為:Urel取k=2,則擴展不確定度為:U(Δx,Δy)=kuc(Δx,Δy)=0.002014附錄C積分球式標準光源校準原始記錄參考格式積分球式標準光源校準原始記錄參考格式(一)第頁/共頁原始記錄編號:證書編號:-客戶名稱:客戶地址:制造廠:外觀檢查:□正常電話:郵編:型號規(guī)格:□有缺陷送檢日期:聯系人:出廠編號:□其他說明:所依據的技術文件:□JJF××××—××××積分球式標準光源校準規(guī)范□其他:所使用的主要計量器具:(光譜輻射)亮度計:測量不確定度:證書編號:型號規(guī)格:校準光源:測量不確定度:編號:型號規(guī)格:證書編號:編號:說明:(光譜輻射)亮度計探測器電壓:(光譜輻射)亮度計積分時間:(光譜輻射)亮度計探測器溫度:亮度計視場角:光譜輻射亮度計瞄準尺寸:實驗室環(huán)境條件:溫度:℃相對濕度:%校準日期:校準地點:校準員:核驗員:JJF1990—202215積分球式標準光源校準原始記錄參考格式(二)第頁/共頁積分球光源的工作電流:A;積分球光源的工作電壓:V。穩(wěn)定性時間/min測量結果面不均勻性測量位置測量值角度不均勻性測量角度(°)測量值測量角度(°)測量值積分球光源的光譜輻射亮度(瞄準尺寸):波長nm測量值相對擴展不確定度%(k=2)%波長nm測量值相對擴展不確定度%(k=2)%積分球光源的亮度:積分球光源的色溫:CCT=積分球光源的色品坐標:x=,亮度的相對擴展不確定度:U=(k=2)K,色溫的擴展不確定度:U=K(k=2),y=,色品坐標的擴展不確定度:U=(k=2)16附錄D積分球式標準光源校準證書內頁推