紅外物理(第二版)課件：紅外輻射測(cè)量?jī)x器及基本輻射參數(shù)的測(cè)量

紅外輻射測(cè)量?jī)x器及

基本輻射參數(shù)的測(cè)量7.1紅外輻射測(cè)量?jī)x器7.2輻射測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定7.3基本輻射量的測(cè)量7.4紅外發(fā)射率的測(cè)量7.5紅外反射比的測(cè)量7.6紅外吸收比和透射比的測(cè)量

7.1紅外輻射測(cè)量?jī)x器7.1.1單色儀

單色儀是利用分光元件(棱鏡或光柵)從復(fù)雜輻射中獲得紫外、可見和紅外光譜區(qū)有一定單色程度光束的儀器。它由狹縫、準(zhǔn)直鏡和分光元件按一定排列方式組合而成。單色儀作為獨(dú)立的儀器使用時(shí),可用于物體的發(fā)射、吸收、反射和透射特性的分光輻射測(cè)量、光譜研究和各種探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)量。若把單色儀與其它系統(tǒng)組合在一起,則構(gòu)成各種光譜測(cè)量?jī)x器,如紅外光譜輻射計(jì)和紅外分光光度計(jì)等。

1.棱鏡單色儀

早期的單色儀多采用棱鏡作為色散元件(分光元件)。圖7-1是一單棱鏡單色儀的示意圖。光源通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)或直接照射位于第一物鏡(通常采用凹面反射鏡,其優(yōu)點(diǎn)是沒有色差,沒有限制光的透過(guò)譜段)的焦平面上寬度可調(diào)的入射狹縫,這樣由物鏡出射的一束平行光就照射在用色散較大的透明材料做成的棱鏡上;由棱鏡出射的平行光對(duì)不同波長(zhǎng)有不同的出射方向;通過(guò)第二物鏡(其焦距一般和第一物鏡相同)會(huì)聚后,在位于其焦平面上的出射狹縫平面上得到橫向展開的連續(xù)光譜像;出射狹縫只讓很窄譜段的光出射;轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡,使光譜像在出射狹縫上掃描,于是得到不同波長(zhǎng)(窄譜段)單色光的輸出。圖7-1單棱鏡單色儀結(jié)構(gòu)示意圖

單色儀的主要性能指標(biāo)有:角色散、線色散和光譜分辨率。

角色散表示色散元件分開不同波長(zhǎng)輻射能的能力。根據(jù)幾何光學(xué),入射光線和經(jīng)過(guò)棱鏡的出射光線之間的夾角稱為偏向角,偏向角用θ表示,見圖7-2。單色儀中棱鏡以最小偏向角狀態(tài)工作。所謂最小偏向角,即由入射狹縫出來(lái)的單色光入射到棱鏡與由棱鏡射出的光與棱鏡兩棱邊具有相同(或近似相同)的夾角。雖然在最小偏向角時(shí)棱鏡色散角小,但單色儀的整體工作性能(像質(zhì))較好。圖7-2棱鏡對(duì)單色光的折射示意圖

角色散表示偏向角θ隨波長(zhǎng)λ的變化速率,亦即波長(zhǎng)相差dλ的兩光線被棱鏡分開后的角度。當(dāng)入射角i1等于出射角i2時(shí),角色散為

其中,t是三角形棱鏡底邊尺寸;a0是沿縫高方向光束的口徑;dn/dλ為棱鏡材料的色散率。此式表明角色散取決于棱鏡和光線的幾何條件與棱鏡材料的色散率。

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,棱鏡的色散值應(yīng)盡可能大,常用作色散棱鏡的材料如表7-1所示。圖7-3和圖7-4分別給出了用于可見和紅外譜段的色散材料的色散曲線。在可見譜段,玻璃的色散值隨波長(zhǎng)λ的增大而減小;在紅外譜段材料的工作譜段內(nèi),色散值隨波長(zhǎng)λ的增大而增加。當(dāng)單色儀工作在相當(dāng)寬的譜段范圍內(nèi)時(shí),需更換不同材料的棱鏡。圖7-3紅外譜段色散材料的色散曲線圖7-4可見光譜段色散材料的色散曲線

線色散表示在出射狹縫平面上相鄰波長(zhǎng)分開的程度。如果兩條波長(zhǎng)相差dλ的光譜線在出射狹縫平面上分開的距離為dl,則由幾何關(guān)系可以寫出:

其中,f'2為第二物鏡的焦距。

光譜分辨率也稱分辨本領(lǐng),是指分離相鄰兩條譜線的能力。對(duì)于某一波長(zhǎng)λ,其與相鄰波長(zhǎng)λ+dλ的單色光剛好能分辨開,則dλ越小,說(shuō)明棱鏡的光譜分辨能力越高。根據(jù)瑞利判據(jù),一條譜帶的最大剛好與鄰近譜帶的最小相重疊,則其理論分辨本領(lǐng)R即為

根據(jù)方孔衍射極限角分辨率dθ=dλ/a0,則棱鏡的最大理論分辨率為

即對(duì)應(yīng)狹縫寬度趨近于零時(shí),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,加上雜散光等的影響,實(shí)際單色儀的分辨率比Rmax小。

入射狹縫和出射狹縫的寬度對(duì)光譜分辨率和出射輻射通量影響很大。設(shè)某光源有兩條相鄰的譜線,在一定入射縫寬時(shí),它們?cè)诔錾淇p平面上的輻照度分布如圖7-5(a)所示;當(dāng)入射縫寬增加時(shí),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(shí),兩光譜線的像互相重疊而不能區(qū)分,如圖7-5(b)所示;如果把入射縫寬逐漸減小,則兩譜線在出射縫平面上的像寬度也減少,當(dāng)像寬小到由物鏡衍射限及縫衍射限所決定的最小像寬時(shí),此時(shí)恰好能夠分辨,如圖7-5(c)所示;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,如圖7-5(d)所示。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7-5(c)所示。圖7-5入射狹縫對(duì)像平面光譜輻照度分布的影響

2.光柵單色儀

光柵已被廣泛地用作單色儀的色散元件。光柵單色儀的基本結(jié)構(gòu)和棱鏡單色儀相同,只是色散元件是光柵。在現(xiàn)代光柵光譜儀中,已很少利用透射光柵作為分光元件,大量使用的是反射光柵,尤其是閃耀光柵。圖7-6給出了經(jīng)常采用的里特羅自準(zhǔn)直光譜儀,其中,圖7-6(a)中的透鏡L起著準(zhǔn)直和會(huì)聚雙重作用,光柵G的槽面受準(zhǔn)直平行光垂直照射;圖7-6(b)中采用了凹面反射鏡,可用于紅外光區(qū)和紫外光區(qū)。圖7-6里特羅自準(zhǔn)直光譜儀

如圖7-7所示的平面反射光柵中,當(dāng)平行光以入射角φ斜入射到反射光柵上時(shí),光線R1比相鄰的光線R2超前dsinφ,其中間距d通常稱為光柵常數(shù);在離開光柵時(shí),R2比R1超前dsinθ,其中θ稱為衍射角。所以,衍射圖樣中亮線位置的方向?yàn)?/p>

該式通常稱為光柵方程,其中當(dāng)入射光與衍射光在光柵法線異側(cè)時(shí)取-號(hào);同側(cè)時(shí)取+號(hào)。圖7-7-反射光柵的衍射

由光柵方程可見,對(duì)于給定光柵常數(shù)d的光柵,當(dāng)用復(fù)色光照射時(shí),除零級(jí)衍射光外,不同波長(zhǎng)的同一級(jí)衍射光不重合,即發(fā)生“色散”現(xiàn)象,這就是衍射光柵的分光原理。對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的各級(jí)亮線稱為光柵譜線,不同波長(zhǎng)光譜線的分開程度隨著衍射級(jí)次的增大而增大,對(duì)于同一衍射級(jí)次而言,波長(zhǎng)長(zhǎng)者,θ大;波長(zhǎng)短者,θ小。

當(dāng)白光按給定的入射角φ入射至光柵時(shí),對(duì)于每個(gè)m級(jí)衍射都有一系列按波長(zhǎng)排列的光譜,該光譜稱為第m級(jí)光譜。當(dāng)m=0時(shí),sinφ=sinθ,即φ=θ,這時(shí)所有波長(zhǎng)的光都混在一起,仍為白光,這就是零級(jí)譜的特點(diǎn)。

由光柵的分光原理可見,光柵衍射的零級(jí)主極大,因無(wú)色散作用,不能用于分光,光柵分光必須利用高級(jí)主極大。但是,由多縫衍射的強(qiáng)度分布知,多縫衍射的零級(jí)主極大占有很大的一部分光能量,因此可用于分光的高級(jí)主極大的光能量較少,大部分能量將被浪費(fèi)。所以,在實(shí)際應(yīng)用中,必須改變通常光柵的衍射光強(qiáng)度分布,使光強(qiáng)度集中到有用的那一高光譜級(jí)上。

首先應(yīng)指出,平面衍射光柵之所以零級(jí)主極大占有很大的一部分光能量,是由于干涉零級(jí)主極大與單縫衍射主極大重合,而這種重合起因于干涉和衍射的光程差均由同一衍射角決定。如圖7-7(a)所示,光沿任一角度φ入射時(shí),衍射單縫的縫兩邊緣點(diǎn)間的光程差為

而多縫干涉的相鄰縫間的光程差為x

如果采用圖7-8所示的在金屬平板表面刻制鋸齒槽構(gòu)成的反射式閃耀光柵,則可以通過(guò)反射的方法,將干涉零級(jí)與衍射中央主極大位置分開。在這種結(jié)構(gòu)中,光柵面和鋸齒槽面方向不同,光柵干涉主極大方向是以光柵面法線方向?yàn)槠淞慵?jí)方向的,而衍射的中央主極大方向則是由刻槽面法線方向等其它因素決定的。

下面以圖7-8所示的反射式閃耀光柵為例,說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)干涉零級(jí)和衍射中央主極大方向的分離。圖7-8反射式閃耀光柵的角度關(guān)系

假設(shè)鋸齒形槽面與光柵平面的夾角為θ0(該角稱為閃耀角),鋸齒形槽寬度(也即刻槽周期)為d,則對(duì)于按φ角入射的平行光束A來(lái)說(shuō),其單槽衍射中央主極大方向?yàn)槠洳勖娴溺R反射方向B。因干涉主極大方向由光柵方程:

決定,若希望B方向是第m級(jí)干涉主極大方向,則變換上面的光柵方程形式,B方向的衍射角應(yīng)滿足:

考察圖7-8所示的角度關(guān)系,有

又因B方向是單槽衍射中央主極大方向,所以必有α=β,即

這就是單槽衍射中央主極大方向同時(shí)為第m級(jí)干涉主極大方向所應(yīng)滿足的關(guān)系式。故,若m、λ、d和入射角φ已知,則可確定出相應(yīng)的角度θ0。此時(shí)的B方向光很強(qiáng),就如同物體光滑表面反射的耀眼的光一樣,所以稱該光柵為閃耀光柵。

若光沿槽面法線方向入射,則α=β=0°,φ=θ=θ0。在這種情況下,(7-9)式簡(jiǎn)化為

該式稱為主閃耀條件,波長(zhǎng)λM稱為該光柵的閃耀波長(zhǎng),m是相應(yīng)的閃耀級(jí)次,這時(shí)的閃耀方向即為光柵的閃耀角θ0的方向。因此,對(duì)于一定結(jié)構(gòu)(θ0)的閃耀光柵,其閃耀波長(zhǎng)λM、閃耀級(jí)次和閃耀方向均已確定。

現(xiàn)在假設(shè)一塊閃耀光柵對(duì)波長(zhǎng)λb的一級(jí)光譜閃耀,則(7-10)式變?yōu)?/p>

此時(shí),單槽衍射中央主極大方向正好落在λb的一級(jí)譜線上,又因?yàn)榉瓷涔鈻诺膯尾勖鎸挾冉频扔诳滩壑芷?所以λb的其它級(jí)光譜(包括零級(jí))均成為缺級(jí)?，F(xiàn)在的優(yōu)質(zhì)光柵可以把近80%的能量集中到所需要的λb的一級(jí)光譜上,使其強(qiáng)度變強(qiáng)、閃耀,λb稱為一級(jí)閃耀波長(zhǎng)。

最后還應(yīng)指出,盡管嚴(yán)格說(shuō)來(lái)閃耀光柵在同一級(jí)光譜中只對(duì)閃耀波長(zhǎng)產(chǎn)生極大的光強(qiáng),而對(duì)其它波長(zhǎng)則不能,但由于單槽衍射的中央主極大到極小有一定的寬度,所以閃耀波長(zhǎng)附近一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的譜線也會(huì)得到相當(dāng)程度的閃耀。

下面介紹光柵光譜儀的性能指標(biāo),其中主要性能指標(biāo)是色散本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)和自由光譜范圍。

(1)色散本領(lǐng):色散本領(lǐng)是指光譜儀將不同波長(zhǎng)的同級(jí)主極大光分開的程度,通常用角色散和線色散表示。

(2)角色散dθ/dλ:波長(zhǎng)相差單位波長(zhǎng)的兩條譜線分開的角距離稱為角色散。光柵的角色散可由光柵方程對(duì)波長(zhǎng)取微分求得

此值愈大,角色散愈大,表示不同波長(zhǎng)的光被分得愈開。由該式可見,光柵的角色散與光譜級(jí)次m成正比,級(jí)次越高,角色散越大;與光柵刻痕密度1/d成正比,刻痕密度愈大(光柵常數(shù)d愈小),角色散愈大。

(3)線色散dl/dλ:光柵的線色散是指在聚焦物鏡的焦平面上,波長(zhǎng)相差單位波長(zhǎng)的兩條譜線間分開的距離。因?yàn)棣容^小,其表示式為

式中,f是物鏡的焦距。顯然,為了使不同波長(zhǎng)的光分得開一些,一般都采用長(zhǎng)焦距物鏡。

(4)分辨本領(lǐng):分辨本領(lǐng)是表征光譜儀分辨開兩條波長(zhǎng)相差很小的譜線能力的參量。色散表示了不同波長(zhǎng)的兩個(gè)主極大分開的程度。由于衍射,每一條譜線都具有一定寬度。當(dāng)兩譜線靠得較近時(shí),盡管主極大分開了,但是還可能因它們彼此部分重疊而分辨不出是兩條譜線。

根據(jù)瑞利判據(jù),當(dāng)λ+Δλ的第m級(jí)主極大剛好落在λ的第m級(jí)主極大旁的第一極小值處時(shí),這兩條譜線恰好可以分辨開。如果光柵所能分辨的最小波長(zhǎng)差為Δλ,則分辨本領(lǐng)定義為

根據(jù)(7-12)式,與角距離Δθ對(duì)應(yīng)的Δλ為

所以,光柵的分辨本領(lǐng)為

式中,m是光譜級(jí)次;N是光柵的總刻痕數(shù)。該式說(shuō)明,光柵分辨本領(lǐng)與光柵常數(shù)無(wú)關(guān),只與m和N有關(guān)。通常光柵所使用的光譜級(jí)次并不高(m=1~3),但是光柵的刻痕數(shù)很大,所以光柵光譜儀的分辨本領(lǐng)仍然很高。

(5)自由光譜范圍:光譜儀的自由光譜范圍(或稱為色散范圍)是指它的光譜不重疊區(qū)。

根據(jù)光柵方程,光譜不重疊區(qū)Δλ應(yīng)滿足:

即

其意義是,波長(zhǎng)為λ的入射光的第m級(jí)衍射,只要它的譜線寬度小于Δλ=λ/m,就不會(huì)發(fā)生與λ的(m-1)或(m+1)級(jí)衍射光重疊的現(xiàn)象。

對(duì)于閃耀波長(zhǎng)λb能得到最大的能量,而對(duì)于λb附近的波長(zhǎng),其能量就較低(不考慮入射光光譜能量的影響)。由理論分析可知:若規(guī)定能量下降到閃耀波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)能量的一半時(shí)兩側(cè)的λ所確定的波長(zhǎng)范圍作為可用光譜區(qū),則對(duì)于第m級(jí)閃耀光譜,可用光譜區(qū)的最短波長(zhǎng)λmin和最長(zhǎng)波長(zhǎng)λmax分別為

對(duì)于m=1,則可用光譜區(qū)在2λb/3和2λb之間。

同樣,使用單色儀得到光譜范圍為0.6μm~14μm的單色光時(shí),先由滿足一定輸出能量且不至于損失過(guò)大的要求出發(fā),選擇用一級(jí)譜時(shí)所需的光柵塊數(shù)及其可用光譜區(qū),如表7-2所示。

3.漸變?yōu)V光片單色儀

漸變?yōu)V光片作為一種光譜特性隨濾光片表面位置變化的光學(xué)薄膜器件,具有體積小、重量輕、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),在便攜式快速分光、光柵二級(jí)次光分離/截止等方面有著廣泛的應(yīng)用。漸變?yōu)V光片一般可分為線性漸變?yōu)V光片和圓形漸變?yōu)V光片兩種。線性漸變?yōu)V光片的光譜特性隨著濾光片的表面位置在一定方向上呈線性漸變;而圓形漸變?yōu)V光片的光譜特性則在圓周方向上,隨著濾光片的角度呈線性變化。根據(jù)所鍍薄膜種類的不同,又可分為漸變帶通濾光片、漸變截止濾光片和漸變中性密度濾光片等。

線性漸變?yōu)V光片是由楔形多層膜介質(zhì)組成的干涉濾光片,圖7-9是一種典型的線性漸變?yōu)V光片的示意圖,圖中線性漸變?yōu)V光片的厚度隨著空間位置在波長(zhǎng)的方向上線性地增大,在某一波長(zhǎng)處的位置,漸變?yōu)V光片在空間方向上的厚度是不變的。λmin是漸變?yōu)V光片能通過(guò)的波長(zhǎng)最小值,在漸變?yōu)V光片的左端;λmax是漸變?yōu)V光片能通過(guò)的波長(zhǎng)最大值,在漸變?yōu)V光片的右端。圖7-9線性漸變?yōu)V光片的結(jié)構(gòu)示意圖

線性漸變?yōu)V光片一般是利用多光束干涉原理實(shí)現(xiàn)濾光的,主要有兩種:一種是金屬膜干涉濾光片;另一種是全介質(zhì)干涉濾光片。金屬膜干涉濾光片是在腔體的兩側(cè)涂有高反射率的膜,而全介質(zhì)干涉濾光片則是在腔體兩側(cè)鍍有多層高反膜系。通過(guò)改變中間腔體(間隔層)的厚度可以改變透射波長(zhǎng),得到一系列的通帶。如果能夠?qū)⒁幌盗胁煌穸鹊拈g隔層集成到一塊基片上,那么這樣的濾光片列陣將具備一系列的通帶,實(shí)現(xiàn)窄帶多通道濾光性能。

金屬膜的缺點(diǎn)是對(duì)光的吸收嚴(yán)重,而高反膜系克服了吸收嚴(yán)重這個(gè)缺點(diǎn),但由于要鍍幾十甚至上百層膜,因而膜的厚度不易控制。這兩種膜的作用都是使進(jìn)入腔體的光線有高的反射率,所以它們的作用是相同的。

圖7-10線性漸變?yōu)V光片的工作原理x

衡量漸變?yōu)V光片的一個(gè)重要指標(biāo)是線性或角度色散系數(shù)。對(duì)于線性漸變?yōu)V光片,線性色散系數(shù)的定義為

式中,dstart和dend分別為線性漸變?yōu)V光片的起始工作位置和終止工作位置;λstart和λend分別為線性濾光片的起始工作波長(zhǎng)和終止工作波長(zhǎng)。對(duì)于截止濾光片,λstart和λend為截止濾光片在工作起始端和工作終止端時(shí)的截止邊τ50%點(diǎn)的波長(zhǎng),而對(duì)于帶通濾光片,λstart和λend則為帶通濾光片在工作起始端和工作終止端的中心波長(zhǎng)。

圖7-11所示的是2μm~5μm波段7層膜系漸變?yōu)V光片的實(shí)測(cè)光譜。圖中,各通帶分別是由距基片一端約為5mm、10mm、15mm、20mm和25mm五個(gè)點(diǎn)測(cè)得的通帶。此五點(diǎn)的通帶中心波長(zhǎng)分別為2739.7nm、3260nm、3808.2nm、4338nm和4840.2nm,由此做出的通帶中心波長(zhǎng)和其對(duì)應(yīng)位置的關(guān)系如圖7-12所示。由圖7-12可見,濾光片通帶中心波長(zhǎng)與其對(duì)應(yīng)位置有很好的線性關(guān)系。圖7-112μm~5μm波段光譜圖圖7-122μm~5μm波段中心波長(zhǎng)與位置的關(guān)系

對(duì)于圓形漸變?yōu)V光片,同樣也可以定義其角度色散系數(shù)為

只不過(guò)用θstart和θend來(lái)表征其起始工作角度和終止工作角度。

7.1.2紅外光譜輻射計(jì)

1.棱鏡或光柵紅外光譜輻射計(jì)

圖7-13給出了棱鏡紅外光譜輻射計(jì)的原理圖。它由兩個(gè)主要部分組成:產(chǎn)生窄帶輻射的單色儀和測(cè)量該輻射通量的輻射計(jì)。從輻射源發(fā)出的輻射通量,通過(guò)入射狹縫形成線光源,再經(jīng)過(guò)棱鏡色散成光譜,輻射光譜中每個(gè)小波段的輻射經(jīng)過(guò)出射狹縫投射到探測(cè)器上。依靠棱鏡和反射鏡組合件的旋轉(zhuǎn),可以改變通過(guò)出射狹縫的波長(zhǎng),因而整個(gè)的光譜輻射計(jì)就可以給出光源的輻射通量的光譜分布,即輻射通量隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。圖7-13色散棱鏡紅外輻射計(jì)工作原理圖

2.圓形漸變?yōu)V光片(CVF)紅外光譜輻射計(jì)

CVF紅外光譜輻射計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)主光路如圖7-14所示。主光路部分由孔徑光闌、主反射鏡、次反射鏡、漸變?yōu)V光片(CVF)、斬波器、內(nèi)部黑體和橢球反射鏡組成,主要用于收集處于視場(chǎng)內(nèi)的輻射源發(fā)射的紅外輻射功率,并把它聚焦到探測(cè)器響應(yīng)面上。光學(xué)系統(tǒng)不僅決定著能夠收集的目標(biāo)的輻射功率的大小,而且和探測(cè)器的大小一起,決定著輻射計(jì)的視場(chǎng)和分辨率。圖7-14CVF紅外光譜輻射計(jì)主光路圖

探測(cè)部分主要由探測(cè)器、前置放大電路和濾波放大電路組成。由于系統(tǒng)要求光譜響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍比較寬,因此采用特殊的放大處理。控制部分主要包括對(duì)CVF的控制、斬波器調(diào)制率的控制和內(nèi)部小黑體溫度的控制,對(duì)斬波器和CVF轉(zhuǎn)速控制的高速、高精度電機(jī)以及對(duì)黑體進(jìn)行控制的高精度溫度控制儀的研制是關(guān)鍵技術(shù)。

3.傅里葉變換紅外光譜輻射計(jì)

紅外光譜輻射計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了棱鏡式光譜輻射計(jì)、光柵式光譜輻射計(jì)和CVF型紅外光譜輻射計(jì),它們屬于經(jīng)典的光譜輻射計(jì)。

傅里葉變換紅外光譜輻射計(jì)主要由邁克爾遜干涉儀和計(jì)算機(jī)組成。邁克爾遜干涉儀的主要功能是使光源發(fā)出的光分為兩束后造成一定的光程差,再使之復(fù)合以產(chǎn)生干涉,所得到的干涉圖函數(shù)即包含了光源的全部頻率和強(qiáng)度信息。用計(jì)算機(jī)將干涉圖函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換,就可計(jì)算出原來(lái)光源的強(qiáng)度按頻率的分布。

傅里葉變換紅外光譜輻射計(jì)的工作原理可用圖7-15所示的邁克爾遜干涉儀的工作原理加以說(shuō)明。當(dāng)被斬波器斬切的光源S輻射通過(guò)窗口W以后,被分光板B分成透射光束Ⅰ和反射光束Ⅱ。其中光束Ⅰ被動(dòng)鏡M1反射,沿原路回到分光板上,并被半透膜反射到探測(cè)器;與此同時(shí),光束Ⅱ通過(guò)補(bǔ)償板C垂直照射到定鏡M2,被反射后再穿過(guò)補(bǔ)償板C和分光板B后也到達(dá)探測(cè)器。這樣,探測(cè)器上接收到的就是Ⅰ和Ⅱ的相干光。

若進(jìn)入干涉儀的是單色光,則因開始時(shí)反射鏡M1和M2與分光板距離相等,故光束Ⅰ和Ⅱ到達(dá)探測(cè)器時(shí)的相位相同,產(chǎn)生的干涉條紋強(qiáng)度最大,然而,當(dāng)動(dòng)鏡M1移動(dòng)入射光的1/4波長(zhǎng)距離時(shí),光束Ⅰ和Ⅱ到達(dá)探測(cè)器的光程差為λ/2,即相位相反,產(chǎn)生的干涉條紋強(qiáng)度最小。若動(dòng)鏡M1以勻速向分光板移動(dòng),并以探測(cè)器接收到的光強(qiáng)度對(duì)M1的移動(dòng)距離作圖,則可得到光強(qiáng)變化的余弦曲線。

圖7-15邁克爾遜干涉儀工作原理

圖7-16I(x)信號(hào)及其傅里葉反變換信號(hào)示意圖

與棱鏡、光柵光譜輻射計(jì)相比,傅里葉變換光譜輻射計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)高的能量傳輸。普通光譜儀(單色儀)采用狹縫干涉,為了提高光譜分辨率,狹縫通常很窄(例如,一般狹縫面積不會(huì)超過(guò)1cm2),而傅里葉變換光譜輻射計(jì)采用整個(gè)光束口徑干涉,沒有普通光譜儀的狹縫遮擋,不會(huì)使光能損失,故傅里葉變換光譜輻射計(jì)比普通光譜儀的信噪比大得多。這對(duì)于光譜儀器十分重要,在許多光譜輻射度量的測(cè)量中,常常由于光譜儀輸出窄譜段使光信號(hào)強(qiáng)度不足從而損失光譜分辨率,尤其是紅外光譜,信號(hào)本身就相當(dāng)弱。這一優(yōu)點(diǎn)首先被用做遠(yuǎn)紅外光譜儀器。

(3)高的分辨率。普通光譜儀色散元件的光譜分辨率R棱=tdn/dλ,R光=mN,即和色散元件的尺寸(t和N)成正比。傅里葉變換光譜輻射計(jì)的理論分辨率與活動(dòng)鏡的位移量成正比,即RFT=2x/λ,增加活動(dòng)鏡的位移量x,可提高光譜分辨率,如x=1cm,λ=10μm,則RFT=104。如果用光柵,則同樣的光譜分辨率時(shí)要求N=10000(當(dāng)m=1時(shí))。

(4)具有很高的波數(shù)準(zhǔn)確度。由于干涉儀的可動(dòng)鏡能夠很精確地驅(qū)動(dòng),所以干涉圖的變化很準(zhǔn)確?？蓜?dòng)鏡的移動(dòng)是由He-Ne激光器的干涉條紋來(lái)測(cè)量的,從而保證了所測(cè)的光程差的準(zhǔn)確性。因此在計(jì)算的光譜中有很高的波數(shù)準(zhǔn)確度,通常達(dá)到0.01cm-1。

(5)具有很寬的光譜范圍和極低的雜質(zhì)輻射。一臺(tái)傅里葉變換紅外光譜輻射計(jì)通常都具有遠(yuǎn)紅外、中紅外和近紅外的光譜范圍。某些波長(zhǎng)雜散輻射引起的干涉圖變化,在傅里葉變換之后,可以很容易地鑒別出來(lái)。通常雜散光在全光譜范圍內(nèi)可低于0.3%。

7.1.3紅外分光光度計(jì)

紅外分光光度計(jì)是進(jìn)行紅外光譜測(cè)量的基本設(shè)備,根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征,可分為單光束及雙光束兩種。在全自動(dòng)快速光譜分析中,多采用雙光束分光光度計(jì)。雙光束分光光度計(jì)又有不同結(jié)構(gòu)及工作原理,其中最常見的是雙光束光學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng)和雙光束電學(xué)平衡系統(tǒng),這里簡(jiǎn)要介紹雙光束光學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的工作原理。

雙光束光學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的光學(xué)部分如圖7-17所示。輻射源S的輻射被反射鏡M1、M3和M2、M4反射成強(qiáng)度相同的兩束,分別通過(guò)樣品槽C1和參比槽C2,并經(jīng)均勻旋轉(zhuǎn)的扇形反射鏡M7(斬波器),使透過(guò)樣品的光束送到單色儀的入射狹縫S1。在另一瞬間,轉(zhuǎn)動(dòng)的扇形鏡使透過(guò)參比槽的光束送到入射狹縫S1。如此反復(fù)交替。進(jìn)入單色儀的光線經(jīng)分光后由出射狹縫輸出到探測(cè)器D。若光路中未放置待測(cè)的吸收樣品,或樣品光路與參比光路的吸收情況相同,則探測(cè)器不產(chǎn)生信號(hào)。若在樣品光路中放入吸收樣品,則會(huì)破壞與參比光路的平衡,探測(cè)器就會(huì)有信號(hào)輸出。

該信號(hào)被放大后用來(lái)驅(qū)動(dòng)梳狀光闌(衰減器)W,使它進(jìn)入?yún)⒈裙饴氛趽踺椛?直到參比光路的輻射強(qiáng)度和樣品光路的輻射強(qiáng)度相等為止。這就是所謂的“光零位平衡”原理。顯然,參比光路中梳狀光闌削弱的能量就是樣品吸收的能量。因此,若記錄筆和梳狀光闌作同步運(yùn)動(dòng),則可直接記錄到樣品的吸收(或透射)百分率。連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)立托夫反射鏡M12,到達(dá)探測(cè)器上的入射光波數(shù)將隨著變化。若隨后的光未被吸收,則當(dāng)它被探測(cè)器扇形斬波器送到探測(cè)器上時(shí),就會(huì)使梳狀光闌退出參比光路,記錄筆向基線方向移動(dòng)。據(jù)此,在連續(xù)掃描過(guò)程中就得到樣品的整個(gè)吸收光譜。

圖7-17-紅外分光光度計(jì)光路圖x

應(yīng)該指出,紅外分光光度計(jì)的色散棱鏡(通常用NaCl、KBr和LiF材料制作)很容易受水汽腐蝕或潮解,因而對(duì)儀器工作的環(huán)境溫度和濕度都有嚴(yán)格要求,而且還受材料透射性能及色散能力的限制。因此,目前紅外分光光度計(jì)廣泛使用光柵作分光元件。這不僅降低了對(duì)儀器工作環(huán)境的恒溫恒濕要求,還可以大大提高儀器的分辨能力和光譜范圍。

7.2輻射測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

光輻射測(cè)量系統(tǒng)性能的測(cè)量常稱為儀器的標(biāo)定(也稱校準(zhǔn))。標(biāo)定工作常常是一項(xiàng)十分困難和復(fù)雜的任務(wù),與用于標(biāo)定該儀器的光源以及環(huán)境背景輻射在光譜、空間、時(shí)間、偏振特性的多變性相聯(lián)系。儀器的標(biāo)定值應(yīng)與標(biāo)定輻射源以及用它進(jìn)行測(cè)量的待測(cè)輻射源的特性無(wú)關(guān),只是其自身各種響應(yīng)特性的客觀度量,但度量的客觀性卻會(huì)受到標(biāo)定光源、環(huán)境特性的影響。

理想的輻射測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有以下性能:

(1)在所測(cè)量的光譜范圍內(nèi),系統(tǒng)具有均勻的光譜響應(yīng),在響應(yīng)光譜范圍以外的光譜響應(yīng)等于零,即測(cè)量系統(tǒng)具有理想的光譜帶寬響應(yīng)。

(2)在所要求的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),系統(tǒng)具有線性響應(yīng),即輸出信號(hào)和待測(cè)輻射度量之間成正比關(guān)系。

(3)在測(cè)量視場(chǎng)內(nèi),各視場(chǎng)角能接收等量的光輻射能,而在測(cè)量視場(chǎng)外,射入系統(tǒng)的雜散光不能到達(dá)探測(cè)器表面,即系統(tǒng)具有理想的視場(chǎng)響應(yīng)。

(4)測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)不受入射光偏振程度的影響。

7.2.1測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)度

使用通常的輻射測(cè)量系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí),測(cè)量系統(tǒng)直接給出的是電壓輸出信號(hào)(或儀表偏轉(zhuǎn)讀數(shù),或記錄曲線與基準(zhǔn)線的間隔)。為把這些輸出信號(hào)變成待測(cè)的輻射量信息,必須知道測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)度。響應(yīng)度的標(biāo)定就是建立測(cè)量系統(tǒng)入瞳處輻射度量和輸出信號(hào)之間的定量關(guān)系,從而確定其靈敏程度,以達(dá)到量值傳遞的目的。

由于輻射測(cè)量系統(tǒng)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)主要感興趣的3個(gè)輻射量是輻射通量、輻照度和輻亮度,所以,相應(yīng)地有3種響應(yīng)度,即輻射通量響應(yīng)度(RP)、輻亮度響應(yīng)度(RL)和輻照度響應(yīng)度(RE):

式中,Rx

是系統(tǒng)的響應(yīng)度;U是測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓(V);X是測(cè)量系統(tǒng)入瞳處的輻射通量(W)(或輻亮度(W/m2/Sr),或輻照度(W/m2))。

采用何種響應(yīng)度取決于系統(tǒng)測(cè)量的要求以及標(biāo)定源在系統(tǒng)視場(chǎng)中的大小。

如果標(biāo)定輻射源距系統(tǒng)足夠遠(yuǎn),此時(shí),可將輻射源看成是典型的點(diǎn)源,而點(diǎn)源在系統(tǒng)入瞳處的輻照度是均勻的,因此,可用測(cè)量系統(tǒng)的輻照度響應(yīng)來(lái)表征,但要求探測(cè)器響應(yīng)度沿表面分布是均勻的,若響應(yīng)不均勻,則需采用勻光器。

采用何種響應(yīng)度取決于系統(tǒng)測(cè)量的要求以及標(biāo)定源在系統(tǒng)視場(chǎng)中的大小。如果標(biāo)定輻射源距系統(tǒng)足夠遠(yuǎn),此時(shí),可將輻射源看成是典型的點(diǎn)源,而點(diǎn)源在系統(tǒng)入瞳處的輻照度是均勻的,因此,可用測(cè)量系統(tǒng)的輻照度響應(yīng)來(lái)表征,但要求探測(cè)器響應(yīng)度沿表面分布是均勻的,若響應(yīng)不均勻,則需采用勻光器。

反之,當(dāng)標(biāo)定輻射源充滿系統(tǒng)視場(chǎng)時(shí),光源尺寸的增加不會(huì)對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)有貢獻(xiàn)(不考慮雜散光的影響),系統(tǒng)測(cè)量的是在其響應(yīng)視場(chǎng)內(nèi)光源的平均輻亮度。因此,用輻亮度響應(yīng)能夠正確地建立標(biāo)定輻射源在系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)平均輻亮度和輸出電壓信號(hào)之間的關(guān)系。而用輻照度響應(yīng)則是沒有意義的,因?yàn)闃?biāo)定輻射源尺寸增大,探測(cè)器上物像尺寸的增加并不能使探測(cè)器輸出信號(hào)增加,即尺寸增加的部分處于探測(cè)器有效探測(cè)面積之外,故系統(tǒng)的輸出信號(hào)將不改變。

如果輻射源不能充滿系統(tǒng)視場(chǎng),輻射源只占系統(tǒng)測(cè)量視場(chǎng)很小的一部分,則由探測(cè)器和光學(xué)系統(tǒng)決定的系統(tǒng)視場(chǎng)比輻射源所張的視場(chǎng)角大得多,探測(cè)器接收的輻射通量除來(lái)自標(biāo)定輻射源外,還有來(lái)自輻射源周圍相當(dāng)視場(chǎng)范圍內(nèi)的背景輻射能,即系統(tǒng)輸出信號(hào)是輻射源和背景輻亮度的權(quán)重平均輻亮度,此時(shí)輻射測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓信號(hào)不能正確地反映系統(tǒng)的輻亮度響應(yīng)。但如果輻射源的輻射亮度遠(yuǎn)大于背景的輻射亮度,又能清晰地定義輻射源與光學(xué)系統(tǒng)像面探測(cè)器上的物像關(guān)系,則可以確定輻射源的輻射通量,此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓信號(hào)能正確地反映系統(tǒng)的輻射通量響應(yīng)。

結(jié)論如下:當(dāng)測(cè)量未充滿視場(chǎng)的遠(yuǎn)距離點(diǎn)源目標(biāo)的輻射強(qiáng)度時(shí),適用輻照度響應(yīng)度或輻射通量響應(yīng)度;當(dāng)測(cè)量充滿視場(chǎng)的擴(kuò)展目標(biāo)的輻射亮度和背景亮度時(shí),適用輻亮度響應(yīng)度;在既非典型的點(diǎn)源又非典型的擴(kuò)展源目標(biāo)的測(cè)量中,適用輻射通量響應(yīng)度。

如上所述,不同的響應(yīng)度適用于不同的測(cè)量場(chǎng)合,但三種響應(yīng)度之間又有一定的聯(lián)系。在輻射源可正好充滿儀器視場(chǎng)的標(biāo)定條件下,三種響應(yīng)度之間存在著簡(jiǎn)單的關(guān)系。對(duì)于給定的輻射測(cè)量系統(tǒng)而言,其視場(chǎng)角Ω和入瞳面積Ac是已知的,則可以證明三種響應(yīng)度滿足下列關(guān)系:

理論上講,校準(zhǔn)這三種響應(yīng)度中的任何一個(gè)都可以。但是,目前所用的輻射測(cè)量系統(tǒng)主要測(cè)量對(duì)象大都是未充滿視場(chǎng)的遠(yuǎn)距離目標(biāo),而且所關(guān)心的光譜區(qū)間是三個(gè)大氣窗口,所以,主要校準(zhǔn)參數(shù)是紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)的輻照度響應(yīng)度RE,光譜范圍為1μm~3μm、3μm~5μm、8μm~14μm。

校準(zhǔn)時(shí)所用的已知輻射源稱為校準(zhǔn)源。在理想情況下,校準(zhǔn)源應(yīng)是理想的黑體輻射源。然而,完美的黑體源是得不到的,真正切實(shí)可行的校準(zhǔn)源通常使用溫度與待測(cè)目標(biāo)溫度相差不大的腔型黑體輻射源、標(biāo)準(zhǔn)輻射板或面狀黑體。由于標(biāo)準(zhǔn)輻射板和面狀黑體的溫度場(chǎng)均勻性很難保證,所以,選用腔型黑體輻射源并且使用高性能的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黑體作為校準(zhǔn)源,一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黑體的量值直接溯源到國(guó)際公認(rèn)的輻射基準(zhǔn)———金屬凝固點(diǎn)黑體上,可以使校準(zhǔn)的不確定度得到有效控制。

1.遠(yuǎn)距離小源法

對(duì)于視場(chǎng)角小于10mrad的紅外輻射計(jì),由于此時(shí)輻射計(jì)的最近聚焦距離比較遠(yuǎn),一般為幾十米,所以,對(duì)響應(yīng)度的校準(zhǔn)采用“遠(yuǎn)距離小源法”,其基本原理如圖7-18所示。圖7-18“遠(yuǎn)距離小源法”校準(zhǔn)原理圖

輻射計(jì)入瞳上的光譜輻照度為

其中,Mλbb(T)為校準(zhǔn)源在溫度T時(shí),波長(zhǎng)λ處的輻出度;τ(λ)為大氣透過(guò)率;As為校準(zhǔn)源的光闌孔面積;f為準(zhǔn)直光管的焦距;ρ1(λ)為次鏡的光譜反射率;ρ2(λ)為拋物面反射鏡的光譜反射率。

通過(guò)改變黑體輻射源的溫度和光闌孔的面積,在輻射計(jì)的入瞳上就產(chǎn)生了不同的輻照度,輻射計(jì)也會(huì)有不同的輸出值Us,則可得紅外輻射計(jì)的響應(yīng)度RE:

由于校準(zhǔn)源不能充滿輻射計(jì)的視場(chǎng),所以背景輻射將直接進(jìn)入視場(chǎng),當(dāng)移走黑體輻射源時(shí),背景所產(chǎn)生的輻照度為Ea,輻射計(jì)的輸出即為背景輻射的貢獻(xiàn),記為Ubg,那么,紅外輻射計(jì)的響應(yīng)度RE則應(yīng)表示為

上面提到,三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的主要目的是對(duì)準(zhǔn)直光源出射口的輻照度進(jìn)行驗(yàn)證,這是因?yàn)檩椛溆?jì)入瞳上的光譜輻照度值僅僅是理論計(jì)算的結(jié)果,由于黑體的出射能量經(jīng)過(guò)兩次反射,而且在大氣中有一定的傳輸距離,這樣,理論值往往和實(shí)際值有差別。那么,輻射計(jì)入瞳上的光譜輻照度到底是多少?這可由標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器來(lái)驗(yàn)證。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器分別為硫化鉛、碲鎘汞、銻化銦,其光敏元上分別加上1μm~3μm、3μm~5μm、8μm~14μm的帶通濾光片。當(dāng)它接收到來(lái)自準(zhǔn)直光管的光輻射后,經(jīng)過(guò)選頻放大,就可得到電壓信號(hào)。而標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的量值又可溯源到低溫輻射計(jì),這樣,準(zhǔn)直光管出射口上的量值是否準(zhǔn)確就可以得到驗(yàn)證。

2.遠(yuǎn)距離面源法

標(biāo)定時(shí)面光源對(duì)輻射計(jì)的張角一般應(yīng)大于輻射計(jì)視場(chǎng)的4倍。輻射計(jì)調(diào)焦在無(wú)限遠(yuǎn),面光源選用大面積低溫黑體,并放在有限遠(yuǎn)距離上。

設(shè)面光源的光譜輻亮度為L(zhǎng)λbb(T),傳輸介質(zhì)的光譜透射率為τ(λ),通過(guò)改變黑體輻射源的溫度,被標(biāo)定輻射計(jì)輸出電壓信號(hào)為Us,則輻射計(jì)的輻亮度響應(yīng)度為

該標(biāo)定方法不必知道待標(biāo)定輻射計(jì)的視場(chǎng)角及入瞳面積。

3.近距離小源法

當(dāng)紅外輻射計(jì)的視場(chǎng)角大于10mrad時(shí),采用傳統(tǒng)的“近距離小源法”校準(zhǔn)紅外輻射計(jì)。為了降低其校準(zhǔn)不確定度,仍然采用一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黑體作為校準(zhǔn)源,用一個(gè)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黑體近距離直接對(duì)著紅外輻射計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn),其原理如圖7-19所示。圖7-19“近距離小源法”校準(zhǔn)原理圖

設(shè)輻射計(jì)距離標(biāo)準(zhǔn)源光闌孔的距離為l,那么同“遠(yuǎn)距離小源法”類似,輻射計(jì)入瞳上的光譜輻照度為

其計(jì)算方法和“遠(yuǎn)距離小源法”的計(jì)算方法完全一致,由此可給出紅外輻射計(jì)的響應(yīng)度RE。

另外,標(biāo)定輻射源從對(duì)應(yīng)輻射計(jì)半視場(chǎng)角θ的立體角內(nèi)發(fā)出的輻射能恰都能為探測(cè)器所接收(如圖7-20所示),則進(jìn)入待標(biāo)定輻射計(jì)的輻射通量為

式中,Lλbb(T)=Mλbb(T)/π,為標(biāo)定輻射源的輻亮度;Ad為探測(cè)器的面積;fd為輻射計(jì)的焦距;Ω為半視場(chǎng)角θ所對(duì)應(yīng)的立體角。圖7-20“近距離小源法”校準(zhǔn)原理輻射通量計(jì)算

7.2.2測(cè)量系統(tǒng)的線性響應(yīng)

線性響應(yīng)定義為測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓與入瞳處的輻射度量之比。具有線性響應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛,其輸入信號(hào)和輸出信號(hào)值之間存在如下關(guān)系:

式中,Rx

是系統(tǒng)的響應(yīng)度,與入射量的大小無(wú)關(guān),也稱為系統(tǒng)增益;b是偏置電壓,即輸入信號(hào)為零時(shí)的輸出值。

表示測(cè)量系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍的方法很多,較方便的是用響應(yīng)度增益不偏度允許誤差的范圍來(lái)規(guī)定系統(tǒng)的線性工作范圍。如圖7-21所示,線性動(dòng)態(tài)范圍上限Umax由輸出信號(hào)偏離理論線性值的誤差Δ確定,Δ的大小取決于所允許的測(cè)量誤差;下限Umin往往由系統(tǒng)的噪聲電平確定。一般信號(hào)甚小時(shí),系統(tǒng)具有較好的線性響應(yīng),影響信號(hào)輸出的主要是噪聲把信號(hào)淹沒。圖7-21線性動(dòng)態(tài)范圍的確定

線性動(dòng)態(tài)范圍一般用數(shù)量級(jí)M來(lái)表示:

例如,M=6,測(cè)量系統(tǒng)的線性動(dòng)態(tài)范圍為106。

系統(tǒng)線性響應(yīng)特性的標(biāo)定需要在待測(cè)系統(tǒng)的入瞳處給定一系列已知的輻射度,并測(cè)得對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出信號(hào)值。由于系統(tǒng)的線性響應(yīng)可能達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí),故要在相當(dāng)寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)建立一系列已知的輻射度量是比較困難的。

常用的有下列方法或其組合:

(1)在導(dǎo)軌上改變光源到測(cè)量系統(tǒng)的距離。

(2)用一組透射比經(jīng)過(guò)標(biāo)定的中性密度濾光片插入或移出光路的方法,重要的是要求濾光片的透射比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

(3)用一系列固定孔徑的光闌插入光路作為光衰減器,相鄰擋光闌孔的面積相差一倍,如有九檔,則可改變輻射通量29=512倍。

(4)用偏振片組。

(5)可變開口角的扇形調(diào)制盤

7.2.3測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)

測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)是系統(tǒng)中光學(xué)和色散元件的光譜透射、反射、色散特性和探測(cè)器光譜響應(yīng)的乘積,很難使系統(tǒng)的光譜響應(yīng)接近理想響應(yīng)。圖7-22是一種典型的測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)曲線,在系統(tǒng)工作譜段[λ1,λ2]內(nèi)并不像理想響應(yīng)那樣具有明顯的波長(zhǎng)限,且在[λ1,λ2]譜段內(nèi)的響應(yīng)也不均勻,在離工作譜段較遠(yuǎn)的波長(zhǎng)區(qū),甚至可能出現(xiàn)次響應(yīng)譜段,并可延伸到相當(dāng)寬的波長(zhǎng)范圍。這種工作譜段以外的響應(yīng)稱為光譜泄漏。圖7-22測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)

用等效理想矩形帶寬代替系統(tǒng)實(shí)際光譜響應(yīng)稱為帶寬歸一化法,表示在一定條件下,使用理想響應(yīng)在測(cè)量結(jié)果上等效于實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)。方法的基本出發(fā)點(diǎn)是:當(dāng)待測(cè)光源的光譜能量分布曲線可用一個(gè)二次函數(shù)來(lái)表示時(shí)(在許多窄譜段測(cè)量中,在一定光譜范圍內(nèi)光源的光譜能量分布沒有突變,可用二次函數(shù)來(lái)逼近。對(duì)于具有連續(xù)光譜的光源,即使譜段較寬,也可用二次函數(shù)近似逼近),系統(tǒng)的等效理想響應(yīng)可通過(guò)精確的計(jì)算確定。

設(shè)待測(cè)光源的光譜能量分布特性為S(λ),則系統(tǒng)的輸出電壓信號(hào)為

圖7-23給出了碲鎘汞光電探測(cè)器的響應(yīng)曲線以及等效理想響應(yīng)曲線。為了評(píng)價(jià)方法的有效性,在圖7-23中還給出了300K和500K的黑體光譜能量分布。雖然這兩種溫度的黑體曲線與二次函數(shù)有所不同,但這里仍假定其在探測(cè)器整個(gè)響應(yīng)譜段內(nèi)為二次函數(shù)。顯然,這種假定會(huì)給用理想等效響應(yīng)曲線代替實(shí)際光電探測(cè)器帶來(lái)一定的誤差。圖7-23碲鎘汞探測(cè)器的等效理想響應(yīng)

用等效理想響應(yīng)曲線計(jì)算的輸出信號(hào)Ic和實(shí)際系統(tǒng)輸出信號(hào)I的比值如下:

由式可得,500K時(shí)為0.901;300K時(shí)為1.024。由此可見,只有對(duì)應(yīng)500K的計(jì)算輸出信號(hào)與實(shí)際輸出信號(hào)相差較大(約10%)。

光譜泄漏是引起光輻射測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差的重要來(lái)源之一,主要是由于:

(1)大多數(shù)光學(xué)材料具有較好的短波截止性能,但長(zhǎng)波的截止性能較差,因而長(zhǎng)波泄漏更容易出現(xiàn)。

(2)用以分隔譜段的薄膜干涉濾光片、分光元件光柵等利用干涉現(xiàn)象的元件存在干涉級(jí)。

(3)單色儀中由于棱鏡和光柵表面的自身缺陷及小角度散射、系統(tǒng)像差及衍射等,使透射譜線加寬。

為此,對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行光譜響應(yīng)測(cè)量的一個(gè)重要工作是檢查系統(tǒng)光譜泄漏的程度。

7.3基本輻射量的測(cè)量

7.3.1光譜輻射量的測(cè)量一種廣為使用的測(cè)量方法是把光譜輻射量的測(cè)量過(guò)程分成兩步,先測(cè)出待測(cè)光源的相對(duì)光譜能量分布,然后采用下述方法之一確定其絕對(duì)量,即光譜輻射量。

(1)單波長(zhǎng)測(cè)量法。只精確測(cè)量一個(gè)波長(zhǎng)λ的光譜輻射度量,則其它波長(zhǎng)的輻射度量隨之確定。測(cè)量波長(zhǎng)λ的輻射度量起到了確定相對(duì)光譜能量分布比例尺的作用。一旦確定了比例尺,其它波長(zhǎng)的輻射度量就自然得到。由于λ處窄譜段的輻射度量測(cè)量至關(guān)重要,所以需要在精心考慮測(cè)量方法和估算測(cè)量誤差的前提下進(jìn)行反復(fù)的測(cè)量。

有時(shí)也在幾個(gè)波長(zhǎng)處精確測(cè)輻射度量,其目的是增加測(cè)量的準(zhǔn)確性。

(2)總輻射度量測(cè)量法。測(cè)得總輻射度量,也就確定了相對(duì)光譜曲線和橫坐標(biāo)軸所包容的面積所代表的輻射度量。由于橫坐標(biāo)的波長(zhǎng)值是已確定的,因此輻射度量的比例尺也隨之確定。

總輻射度量測(cè)量法有許多優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榭傒椛淞吭谔綔y(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)比光譜輻射量產(chǎn)生的信號(hào)大得多,故可獲得足夠大的信噪比。

1.相對(duì)光譜能量分布

用作分光的裝置有單色儀、濾光片等。單色儀具有高的光譜分辨率,能十分方便地連續(xù)改變輸出光的波長(zhǎng),所以在測(cè)量光譜能量分布變化較大、光源光譜分布有明顯的吸收帶或者發(fā)射譜線時(shí),常用它作為分光裝置。

在光譜輻射度量測(cè)量中,由于光學(xué)系統(tǒng)的像差、縫的彎曲,不同光源部位經(jīng)過(guò)單色儀不同部位的透射特性不同,光源、探測(cè)器到入射、出射狹縫的距離難以精確測(cè)定等,因此,單色儀的光譜透射比難以精確確定,從而影響了單色儀用于光譜輻射度量的測(cè)量。

當(dāng)用波長(zhǎng)λ的光源照射單色儀入射狹縫時(shí),利用單色儀的工作原理,可寫出位于出射狹縫處的探測(cè)器的輸出信號(hào)U(λ)

式中,k是與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的一個(gè)常數(shù);r(λ)為相對(duì)光譜響應(yīng)率;Rm為峰值光譜響應(yīng)率;τ(λ)為單色儀的光譜透射比。

取某一波長(zhǎng)λr作為參考,對(duì)于參考波長(zhǎng)λr也有相似結(jié)果,故光源的相對(duì)光譜分布為

在測(cè)得單色儀的相對(duì)光譜透射比τ(λ),探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)r(λ)以及已知單色儀的線色散dλ/dl時(shí),即可由輸出電壓比值U(λ)/U(λr)對(duì)光源的相對(duì)光譜能量進(jìn)行分析。

單色儀的τ(λ)可用已知相對(duì)光譜能量分布的光源(如黑體、光譜輻亮度或輻照度的標(biāo)準(zhǔn)燈等)與具有平坦響應(yīng)的探測(cè)器來(lái)測(cè)得:

式中,對(duì)于平坦響應(yīng)的探測(cè)器,r(λ)=1。于是,由測(cè)得的U(λ)以及分光元件的色散特性,可求得單色儀的相對(duì)光譜透射比。

濾光片可做得較大,探測(cè)器可在較均勻的輻射場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量,所以應(yīng)采用輻照度,這與單色儀有所不同。進(jìn)入入射狹縫的輻射通量不能全部進(jìn)入單色儀,單色儀中要建立探測(cè)器輻照度與入射狹縫輻照度的關(guān)系相當(dāng)困難,而輻亮度提供了建立入射狹縫和出射狹縫之間關(guān)系的可能。作為分光元件,濾光片置入光路中應(yīng)當(dāng)注意:

(1)不因放入濾光片而改變光能的傳播方向,因?yàn)檫@種變化往往會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差,尤其是探測(cè)器尺寸較小時(shí)。還要注意濾光片放入可能造成其與其他表面之間的多次反射。

(2)濾光片不應(yīng)有明顯的曲率,否則相當(dāng)于一個(gè)聚光元件,有可能使通過(guò)濾光片后探測(cè)器上的輻照度增加,使濾光片“透射比”大于1。

(3)濾光片應(yīng)處于平行光路中。這是因?yàn)闉V光片的透射比與通過(guò)其的光程長(zhǎng)度有關(guān)。不要因光程長(zhǎng)的變化使透射比不確定。干涉濾光片光程長(zhǎng)的變化還會(huì)引起濾光片透過(guò)譜段不確定以及濾光片透過(guò)譜段的微量位移。

(4)材質(zhì)要均勻。不同部位透射比的變化會(huì)導(dǎo)致濾光片使用部位不同時(shí)使總透射比變化。

(5)濾光片應(yīng)盡可能放在探測(cè)器一側(cè)。離光源近時(shí)濾光片的溫度可能會(huì)增加,可能導(dǎo)致濾光片的透射比及透射譜段的變化。熱探測(cè)器前加濾光片可大大減少背景輻射對(duì)信號(hào)的貢獻(xiàn)。

2.光譜輻射量的測(cè)量

待測(cè)光源光譜輻射量最簡(jiǎn)單的測(cè)量方法是用已知的輻射源和待測(cè)光源在相同的測(cè)量條件下進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)測(cè)量的基本要求是探測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)有線性響應(yīng)。

圖7-24是用單色儀和探測(cè)器測(cè)量光源光譜輻亮度的裝置。由于這兩個(gè)光源在近似相同的測(cè)量條件下進(jìn)行,故單色儀的色散和透射特性以及探測(cè)器的光譜響應(yīng)度對(duì)它們來(lái)說(shuō)都相同,其影響在比對(duì)測(cè)量中可自動(dòng)消去,光源的光譜輻亮度為

式中,Lx(λ)是待測(cè)光源的光譜輻亮度;Ls(λ)是標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻亮度;Ux(λ)是針對(duì)待測(cè)光源的探測(cè)系統(tǒng)電壓讀數(shù)值;Us(λ)是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光源的探測(cè)系統(tǒng)電壓讀數(shù)值。

圖7-24光源光譜輻亮度的比對(duì)測(cè)量裝置

比對(duì)測(cè)量時(shí),如果兩個(gè)光源的尺寸不同,或者光源表面輻亮度不均勻時(shí),最好是用這兩個(gè)光源在相同的條件下照射同一塊均勻朗伯反射板,這樣,由這塊朗伯板的反射輻亮度去照射單色儀的入射狹縫,可保證探測(cè)器接收均勻的輻照射。

用窄帶濾光片也一樣(如圖7-25所示)。圖7-25用窄帶濾光片測(cè)量光源光譜輻亮度

另一種標(biāo)定待測(cè)光源的方法是:

(1)在單色儀上比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源,確定待測(cè)光源的相對(duì)光譜分布。

(2)用標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器測(cè)量待測(cè)光源的總輻射度量。

7.3.2總輻射量的測(cè)量

總輻射度量的測(cè)量是對(duì)待測(cè)光源在整個(gè)輻射譜段內(nèi)總輻射能的測(cè)量,它具有一些特點(diǎn):

(1)由于待測(cè)光源一般包含相當(dāng)寬光譜范圍的輻射能,信號(hào)較強(qiáng),在測(cè)量時(shí)一般可不用光學(xué)系統(tǒng)聚光,從而可避免因光學(xué)系統(tǒng)吸收、反射等所引入的輻射能損失導(dǎo)致測(cè)量不精確等情況的發(fā)生。當(dāng)在相同的測(cè)量條件下進(jìn)行輻射度量的比對(duì)測(cè)量時(shí),由于消除了光學(xué)系統(tǒng)的影響,或者在光學(xué)系統(tǒng)的吸收、反射等影響能精確測(cè)量或求得時(shí),才考慮采用光學(xué)系統(tǒng)。在輻亮度測(cè)量中,采用光學(xué)系統(tǒng)則是為了使測(cè)量有確定的視場(chǎng)大小。

(2)由于要適應(yīng)測(cè)量光譜范圍的輻射能,因而探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍應(yīng)足夠?qū)?隨之也帶來(lái)背景輻射對(duì)測(cè)量值有較大影響的問(wèn)題。為了減少雜散光的影響,常常在測(cè)量光路中加入擋光片,但它們亦有一定的溫度。在光路中切斷測(cè)量光路的快門也是如此。這些在光路中或者光路附近的部件會(huì)對(duì)光譜響應(yīng)擴(kuò)展到熱紅外譜段的探測(cè)器輸出測(cè)量值有貢獻(xiàn)。當(dāng)待測(cè)光源不充滿儀器視場(chǎng)時(shí),光源后部的背景輻射也是雜散光的來(lái)源。

另一種方法是調(diào)制光信號(hào)。調(diào)制盤在測(cè)量光路中的位置是較重要的。在圖7-25測(cè)量輻亮度的裝置中,調(diào)制盤距光源有一定的距離,以免光源加熱調(diào)制板,使之成為另一個(gè)熱源。當(dāng)調(diào)制盤打開測(cè)量光路時(shí),入射光信號(hào)包括待測(cè)光源的直射輻射通量和探測(cè)系統(tǒng)背景輻射通量,而當(dāng)調(diào)制盤切斷測(cè)量光路時(shí),調(diào)制盤朝向探測(cè)器側(cè)的鍍銀表面(低的發(fā)射率),對(duì)探測(cè)器輸出的貢獻(xiàn)甚小,探測(cè)器的輸出值只是探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部各元件溫度產(chǎn)生的輻射的貢獻(xiàn),這樣,調(diào)制板就把較強(qiáng)的背景噪聲源影響消除掉。圖中,溫度監(jiān)測(cè)用探測(cè)器用于監(jiān)測(cè)探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)溫度的變化。

(3)在寬譜段內(nèi)測(cè)量時(shí),應(yīng)考慮光輻射能傳輸介質(zhì)可能出現(xiàn)的吸收對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

介質(zhì)中水蒸氣、二氧化碳等過(guò)量及其變化,都會(huì)在測(cè)量結(jié)果中引入誤差,所以,除了平方反比定律等對(duì)測(cè)量距離的限制外,測(cè)量距離不宜過(guò)大,也可用強(qiáng)迫通風(fēng)、充入惰性氣體、局部抽真空等方法,使介質(zhì)的吸收、散射對(duì)測(cè)量的影響減小。

在比對(duì)測(cè)量中,當(dāng)待測(cè)光源和標(biāo)準(zhǔn)光源具有近似相同的光譜輻射特性時(shí),介質(zhì)的散射、吸收對(duì)測(cè)量的影響將自行消除。

總輻射度量的測(cè)量可用已知光譜輻射特性的光源和已知光譜響應(yīng)度的探測(cè)器來(lái)測(cè)量。

1.用已知光譜輻射特性的光源進(jìn)行測(cè)量

當(dāng)待測(cè)光源在測(cè)量光路中時(shí),輸出電壓為

若標(biāo)準(zhǔn)光源在測(cè)量光路中時(shí),有

分析(7-52)式和式(7-53)式可知:

(1)當(dāng)探測(cè)器響應(yīng)具有光譜選擇性時(shí),若已知探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)r(λ)和待測(cè)光源的相對(duì)光譜分布lx(λ)=Lx(λ)/Lx(λmax),則可測(cè)得輻射亮度:

如果待測(cè)光源的相對(duì)光譜能量分布與已知光源的相同,則

這時(shí),不必知道探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)。

(2)當(dāng)探測(cè)器具有平坦的光譜響應(yīng)時(shí),有

即測(cè)量結(jié)果與待測(cè)、已知光源的相對(duì)光譜能量分布無(wú)關(guān)。

圖7-26是測(cè)量光源輻照度或某方向上的輻射強(qiáng)度的裝置。測(cè)量光路上安置了待測(cè)或已知光源、快門和探測(cè)器?？扉T用于切斷測(cè)量光路,一系列擋光片用于防止環(huán)境輻射直接投射到探測(cè)器上。在距光源相當(dāng)距離處安置一黑色的屏。為防止快門開、關(guān)對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果的影響,快門、擋光片和屏都具有相同的溫度,測(cè)量時(shí)保持環(huán)境溫度不變。快門打開和關(guān)閉時(shí)測(cè)得的探測(cè)器信號(hào)之差就是直接來(lái)自待測(cè)(已知)光源輻射所產(chǎn)生的信號(hào)。圖7-26輻照度(輻強(qiáng)度)測(cè)量裝置

2.用已知光譜響應(yīng)度的探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量

當(dāng)探測(cè)器響應(yīng)具有選擇性時(shí),需要知道待測(cè)光源的相對(duì)光譜能量分布,由式(7-54)可得

如果探測(cè)器具有平坦的光譜響應(yīng),則

因此,實(shí)際測(cè)量基本上采用具有平坦光譜響應(yīng)的熱探測(cè)器。

對(duì)于輻射源輻射強(qiáng)度的測(cè)量,一般是通過(guò)輻射照度的測(cè)量來(lái)獲得的。假設(shè)輻射穿過(guò)透射率為τa的大氣后,在距離為d處產(chǎn)生的輻射照度為E,當(dāng)d遠(yuǎn)大于輻射源的線度時(shí),輻射強(qiáng)度為

式中,Ed2為表觀輻射強(qiáng)度。

測(cè)量點(diǎn)源輻射強(qiáng)度時(shí),在接近視場(chǎng)光欄處最好放置一高質(zhì)量的場(chǎng)鏡,使孔徑光欄的像清晰地成像在探測(cè)器上。雖然在探測(cè)器表面的邊緣響應(yīng)度不均勻,但是由于孔徑光欄總是由遠(yuǎn)處的點(diǎn)光源均勻地輻照的,因此得到的仍然是均勻的響應(yīng)。點(diǎn)源在探測(cè)器上的像也是均勻輻照的,因而與點(diǎn)源在儀器視場(chǎng)中的位置無(wú)關(guān),只要整個(gè)點(diǎn)源處在該視場(chǎng)之內(nèi)即可。

如果是擴(kuò)展輻射源,則要測(cè)得輻射源表面上各點(diǎn)在給定方向上的輻射亮度L,再由dIθ=LcosθdA對(duì)整個(gè)輻射源表面A積分,求出該方向的輻射強(qiáng)度Iθ,即

一個(gè)輻射源的總輻射通量是輻射源的重要指標(biāo)之一。對(duì)于各向同性的點(diǎn)源,其總輻射通量為Φ=4πI,所以只要測(cè)出它的輻射強(qiáng)度I,就可以計(jì)算出總輻射通量。但實(shí)際光源都有一定的大小,尤其是輻射強(qiáng)度也不是各向同性的,所以,不能用點(diǎn)源的方法進(jìn)行處理。對(duì)于實(shí)際光源輻射通量的測(cè)量,通常有兩種方法:一種是在積分球內(nèi)利用已知輻射源的輻射與待測(cè)輻射源作比較測(cè)量;另一種是測(cè)定輻射源在空間各個(gè)方向上的輻射強(qiáng)度分布,然后再計(jì)算它的輻射通量。

許多輻射源,特別是大型或大功率輻射源,是無(wú)法也不能放在一般的積分球內(nèi)的。如果制造大的積分球,不僅制造困難,而且使用也不方便。因此,對(duì)于這類輻射源常常用第二種方法進(jìn)行輻射通量的測(cè)量。

7.4紅外發(fā)射率的測(cè)量

材料發(fā)射率是表征材料表面紅外輻射特性的物理量。在紅外輻射測(cè)溫、紅外隱身材料評(píng)價(jià)、紅外熱成像以及紅外遙感測(cè)量等應(yīng)用中,目標(biāo)表面的紅外發(fā)射率是影響測(cè)量結(jié)果的基本參數(shù)。例如,在0℃的天空條件下觀測(cè)25℃的兩個(gè)目標(biāo),若發(fā)射率相差0.01,則測(cè)出的輻射溫度相差0.2℃,這已超出較靈敏儀器的溫度分辨率。因此,目標(biāo)與背景材料的紅外發(fā)射率測(cè)量是十分必要的。

在測(cè)量和報(bào)道紅外發(fā)射率時(shí),必須注意下列問(wèn)題:

(1)根據(jù)定義,發(fā)射率是實(shí)際物體與黑體在相同條件(溫度、光譜范圍和幾何條件)下的輻射之比。因此,報(bào)道測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)指明測(cè)試條件,并注明測(cè)量結(jié)果是在某溫度、光譜范圍和方向上的發(fā)射率。如500K時(shí)的半球全發(fā)射率εh(500K),或800K時(shí)5μm處的法向光譜發(fā)射率εn(5μm,800K)等。

(2)必須對(duì)樣品狀態(tài)有完整的描述。因?yàn)椴牧习l(fā)射率的測(cè)量受一系列因素影響,所以,報(bào)道測(cè)量結(jié)果時(shí),應(yīng)盡可能詳盡地說(shuō)明測(cè)試樣品的成分、厚度、表面的形貌特征和結(jié)構(gòu)特征,否則將會(huì)降低測(cè)量結(jié)果與報(bào)道的價(jià)值。

(3)對(duì)光學(xué)不均勻的樣品必須考慮反射作用。關(guān)于發(fā)射、透射和反射的相互關(guān)系的許多論述,都只適用于光學(xué)均勻的材料。因此,在發(fā)射率測(cè)量中,應(yīng)用基本關(guān)系式ε+ρ+τ=1時(shí),必須注意式中三個(gè)量要有一致的幾何條件。

(4)樣品溫度問(wèn)題。測(cè)量發(fā)射率必須準(zhǔn)確知道樣品的溫度。

由于物體的輻射能力與溫度有關(guān),從使用和測(cè)試的溫度區(qū)域劃分,材料的發(fā)射率一般可分為常溫(-60℃<T≤80℃)材料發(fā)射率、中溫(80℃≤T≤1000℃)材料發(fā)射率和高溫(T>1000℃)材料發(fā)射率。

從輻射方向劃分,發(fā)射率可分為半球發(fā)射率和法向發(fā)射率。如再?gòu)墓庾V域劃分,又可分為積分發(fā)射率和光譜發(fā)射率。

實(shí)際應(yīng)用中,大多使用半球積分發(fā)射率和法向光譜發(fā)射率。半球積分發(fā)射率和法向光譜發(fā)射率的測(cè)試方法不同,前者多用量熱法,后者用輻射測(cè)量法。這兩種方法均屬于直接測(cè)量法。

7.4.1半球全發(fā)射率的測(cè)量

1.輻射熱平衡法測(cè)量材料半球積分發(fā)射率

測(cè)量材料半球積分發(fā)射率的輻射熱平衡法有各種不同的具體方案,但廣泛采用的為熱絲法及其不同改進(jìn)形式。這種方法的基本原理和裝置如圖7-27所示。圖7-27-熱絲法材料半球積分發(fā)射率裝置示意圖

為找出發(fā)射率與可測(cè)量之間的關(guān)系,應(yīng)導(dǎo)出樣品的熱平衡方程式。首先,輸入到樣品的功率除外界提供的穩(wěn)定電功率IU外,還有真空室壁發(fā)射并被樣品吸收的輻射功率,其值為Aε2ασT42,其中,A和α分別為樣品的表面積和吸收比;ε2和T2為真空室壁的發(fā)射率和溫度。由于溫度均勻和密閉容器的輻射就是黑體輻射,故可近似認(rèn)為ε2=1。此外,樣品發(fā)射的輻射經(jīng)室壁反射回到樣品后也可被它吸收,但這一項(xiàng)的貢獻(xiàn)小得可以忽略。于是,樣品的總輸入功率為

樣品的輸出功率主要由三項(xiàng)組成:

①樣品的熱輻射AεhσT41,其中,εh

和T1分別為樣品的半球積分發(fā)射率和平衡溫度;

②通過(guò)樣品兩端及測(cè)溫?zé)犭娕紓鲗?dǎo)消耗的功率2kaΔT/Δx,可以證明,若樣品橫截面a和溫度梯度ΔT/Δx足夠小,則在通常的金屬熱導(dǎo)率k值情況下,樣品兩端和熱電偶的傳導(dǎo)熱耗可以忽略;

③真空室內(nèi)殘留氣體的熱傳導(dǎo)和對(duì)流引起的熱損耗,也可以忽略。

綜上所述,在輻射熱平衡條件下,樣品的輸入與輸出功率必須相等,亦即

若近似取α=εh,則由(7-63)式導(dǎo)出半球全發(fā)射率為

由此可見,只要測(cè)量出輸入電功率IU和樣品與真空室壁的溫度T1與T2,則可得到材料的半球積分發(fā)射率εh。

2.溫度衰減法測(cè)量材料發(fā)射率

由于輻射熱平衡方法測(cè)量發(fā)射率時(shí),必須使材料樣品與真空室達(dá)成熱平衡狀態(tài),所需測(cè)量時(shí)間一般比較長(zhǎng)。為縮短測(cè)量時(shí)間,可在非穩(wěn)態(tài)下測(cè)量,即溫度衰減法。把一個(gè)表面積較大而質(zhì)量很小的樣品懸掛在具有冷卻內(nèi)壁的真空室內(nèi),并加溫至顯著高于真空室內(nèi)壁溫度。停止加熱后,測(cè)量材料樣品的冷卻速度。從冷卻速率和可知的材料樣品表面積、質(zhì)量和比熱,計(jì)算出輻射熱損耗速率,從而求出材料的半球積分發(fā)射率。對(duì)于不同的具體方案,往往采用不同的加熱方法,例如,線圈加熱器、碳弧、電爐、太陽(yáng)模擬器或激光加熱等。

當(dāng)以光照加熱樣品時(shí),若忽略真空壁輻射對(duì)樣品的影響,則能量平衡方程式為

式中,A為薄樣品的一側(cè)表面積;m和Cp分別為樣品的質(zhì)量和比熱;dT/dt為樣品溫度隨時(shí)間的變化率;E為入射光輻照度。待樣品有足夠的溫升后,停止光照并使樣品冷卻,(7-31)式將變?yōu)?/p>

若假定Cp與溫度無(wú)關(guān),則對(duì)(7-66)式積分后得到

式中,T1和T2分別為時(shí)刻t1和t2的樣品溫度。只要測(cè)出溫度隨時(shí)間下降的數(shù)據(jù),則可以確定樣品半球全發(fā)射率。測(cè)量誤差一般在5%以內(nèi)。

7.4.2法向光譜發(fā)射率的測(cè)量

測(cè)量法向光譜發(fā)射率,除借助光譜反射率測(cè)量技術(shù)外,幾乎全部采用輻射度量比較法。后者測(cè)量法向或方向光譜發(fā)射率,一般總要首先收集在給定溫度下,樣品在小立體角內(nèi)發(fā)射的輻射,并把它經(jīng)分光計(jì)分光后,測(cè)量中心在指定波長(zhǎng)λ處的一個(gè)窄波帶的輻射。然后把該測(cè)量值除以從同樣條件下黑體源得到的測(cè)量值。在各種具體方案中,可有如下幾方面的變化:

(1)比較的方法(單光路或雙光路);

(2)加熱樣品的方法(內(nèi)部電阻、輻射、附加電阻加熱器的熱傳導(dǎo)、對(duì)流或旋轉(zhuǎn)樣品爐);

(3)分光計(jì)的類型(棱鏡或光柵式單色儀,濾光片);

(4)測(cè)量的光譜范圍(取決于分光計(jì)和探測(cè)器工作波帶);

(5)溫度測(cè)量和控制方法(熱電偶、光學(xué)或輻射高溫計(jì),手動(dòng)或自動(dòng)控制);

(6)數(shù)據(jù)處理方法(一個(gè)波長(zhǎng)、一個(gè)波長(zhǎng)地測(cè)量比較,或在一個(gè)寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)自動(dòng)記錄);

(7)所用比較黑體的類型(獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室黑體源、加熱樣品的爐子,或在樣品中開的參比黑體腔孔)。

1.雙光路法

雙光路測(cè)量法具有容易消除大氣中二氧化碳及水蒸氣吸收的影響,且可直接得到欲測(cè)結(jié)果等優(yōu)點(diǎn),因此,在實(shí)踐中用得較為廣泛。

雙光路法向光譜發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng)廣泛采用雙光束比率記錄的工作模式,它以實(shí)驗(yàn)用黑體源和待測(cè)樣品作為兩個(gè)光束的輻射源。其中來(lái)自黑體源的輻射束作為參比光路,樣品輻射束是測(cè)量光路。經(jīng)過(guò)圖7-28所示的光學(xué)系統(tǒng),使兩束輻射交替地投射到單色儀的入射狹縫,分光后經(jīng)出射狹縫被探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),由電子系統(tǒng)放大處理,最后以兩路光束輸出信號(hào)比的形式,在記錄儀上直接給出發(fā)射率隨波數(shù)變化的曲線。圖7-28法向光譜發(fā)射率雙光路測(cè)量示意圖

為能直接記錄樣品的法向光譜發(fā)射率,上述雙光路測(cè)試系統(tǒng)必須滿足如下條件:

(1)樣品和比較黑體必須控制在相同溫度,樣品表面的溫度梯度應(yīng)盡可能小;

(2)為使兩光束有相同的大氣吸收,并使這種吸收降到最低,兩光束的光路長(zhǎng)度必須相等,或使儀器保持在無(wú)吸收條件或真空中工作;

(3)除分光棱鏡外,必須始終采用前表面反射系統(tǒng),并在兩光路中使用完全對(duì)等的光學(xué)元件,以使兩光束在光學(xué)上有相等的吸收衰減;

(4)兩光束的源面積的場(chǎng)孔徑必須相等,以保障兩光束中的輻射功率來(lái)自相同的源面積和發(fā)射立體角。

所以,由(7-68)式~(7-70)式得到

綜上所述,S(λ)就是樣品信號(hào)在記錄儀上的高度,Z(λ)是無(wú)樣品輻射時(shí)輸出信號(hào)的高度,俗稱零線高度,而H(λ)是以實(shí)驗(yàn)黑體代替同溫度樣品時(shí)的輸出信號(hào)高度,稱為100%線高度。在理想情況下,Z(λ)和H(λ)應(yīng)分別對(duì)應(yīng)于εn(λ)=0和1位置的兩條直線。但由于各種假信號(hào)的影響,往往使Z(λ)和H(λ)在εn(λ)=0和1位置出現(xiàn)一定起伏。

測(cè)量方法和步驟:首先應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行定標(biāo),即波長(zhǎng)定標(biāo)和儀器線性響應(yīng)定標(biāo)。在不同波長(zhǎng)范圍,可用不同方法對(duì)單色儀進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo),例如,在0.24μm~2.2μm范圍,利用氦弧、汞弧燈發(fā)射光譜,釹玻璃和聚苯乙烯薄膜吸收光譜,在各自的曲線上辨認(rèn)已知波長(zhǎng)的發(fā)射或吸收峰,作為峰值已知波長(zhǎng)的函數(shù),畫出這些峰對(duì)應(yīng)的鼓輪位置,再在這些點(diǎn)之間連一條光滑曲線,此即為定標(biāo)曲線。另外,利用大氣吸收曲線也可在0.4μm~15μm范圍找出52個(gè)吸收峰,從而得到更長(zhǎng)波長(zhǎng)的定標(biāo)曲線。

至于線性響應(yīng)定標(biāo),是因?yàn)閮x器的工作都基于這樣的假設(shè),即它的響應(yīng)(記錄的發(fā)射率曲線相對(duì)于零線的高度)與下列量成線性關(guān)系:

(1)當(dāng)儀器在單光路模式工作時(shí),通過(guò)單色儀的單色輻射功率;

(2)當(dāng)儀器在雙光路比率模式工作時(shí),在各自光束中通過(guò)單色儀的單色輻射功率之比。

原則上,若用兩個(gè)溫度完全相同的黑體作為光路長(zhǎng)度一樣的兩個(gè)光束輻射源,則100%線的高度H(λ)=Ub(λ)/Ub(λ)應(yīng)是一條直線。但因兩光束在時(shí)間上是分開的,并按斬波器的調(diào)制頻率交替通過(guò)單色儀,所以,一束的輻射能量脈沖相對(duì)于另一束,在波長(zhǎng)標(biāo)尺上移動(dòng)了一個(gè)很小位移。這種位移效應(yīng)在能量—波長(zhǎng)曲線變得很陡,相繼能量脈沖的輕微光譜位移都可在儀器連續(xù)記錄曲線上產(chǎn)生顯著偏差。此外,從源到探測(cè)器的兩個(gè)光路中,光譜吸收或其它損耗的變化,探測(cè)器對(duì)兩光束輻射的光譜靈敏度變化,以及兩光束的不同光程長(zhǎng)度和個(gè)別反射鏡上灰塵散射等,均可造成100%線起伏。

為此,測(cè)量時(shí)首先應(yīng)把兩個(gè)溫度相同的黑體爐用作兩光束輻射源,調(diào)節(jié)分光計(jì)“滿標(biāo)尺”控制,在記錄儀上記錄100%線H(λ)。其次,去掉樣品光路中的實(shí)驗(yàn)黑體,并封住樣品光束,此時(shí),由于單色儀的雜散輻射將產(chǎn)生假信號(hào),調(diào)節(jié)分光計(jì)的“零比率”控制,在記錄儀上記錄零線Z(λ)。最后,用檢測(cè)樣品代替參比實(shí)驗(yàn)黑體,并使樣品溫度和比較光路的黑體溫度相同,即可測(cè)得樣品線S(λ)。并用(7-74)式求得法向光譜發(fā)射率。

2.單光路法

雖然測(cè)量法向光譜發(fā)射率的雙光路系統(tǒng)有容易消除大氣吸收影響,以及能直接讀出光譜發(fā)射率等優(yōu)點(diǎn),但也有系統(tǒng)復(fù)雜、光學(xué)調(diào)節(jié)苛刻的缺點(diǎn)。因此,實(shí)踐中仍廣泛使用單光路測(cè)試法。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是樣品光束和比較黑體光束經(jīng)同一光路,有相同的光程長(zhǎng)度和衰減損耗。

單光路測(cè)試系統(tǒng)如圖7-29所示。黑體源和檢測(cè)樣品并排置于光具座上,可交替地移至光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)上。這樣就保障樣品輻射和比較用的黑體輻射束經(jīng)過(guò)同一光路,具有相同的光程和衰減,經(jīng)斬波器調(diào)制后進(jìn)入單色儀入射狹縫。圖7-29法向光譜發(fā)射率單光路測(cè)量示意圖

干涉度量法所用設(shè)備和工作原理可參看傅里葉變換紅外光譜儀的描述,于此不再贅述。應(yīng)該指出,測(cè)量法向光譜發(fā)射率的方法只要稍加改進(jìn),原則上均可用來(lái)測(cè)量方向光譜發(fā)射率。此時(shí),首先應(yīng)把樣品和黑體連結(jié)在一個(gè)支架上,以便通過(guò)支架繞某軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)和測(cè)量發(fā)射率的方向依賴關(guān)系。其次,因受熱樣品在所有方向均可發(fā)射輻射,所以,為使雜散輻射減到最低,樣品室和黑體源的加熱部分都必須用水冷卻,并用良好反輻射的屏幕保護(hù)。另外,還應(yīng)嚴(yán)格分析來(lái)自分光計(jì)不同部分的輻射占到達(dá)探測(cè)器上的總輻射的百分比。

7.5紅外反射比的測(cè)量測(cè)量物體的紅外反射比是十分有意義的。它不僅是取得許多不透明材料(尤其在800K以下)的反射比與吸收比的重要方法,而且,在材料光學(xué)性質(zhì)與光學(xué)參數(shù)研究、礦物巖石的識(shí)別與結(jié)構(gòu)分析中,都需要對(duì)材料的紅外光譜反射比有深入研究。特別是隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,如海洋污染探測(cè)、地球資源勘測(cè)與農(nóng)作物估產(chǎn)遙感以及軍事偵察等應(yīng)用中,為充分利用遙感得到的信息,除地物發(fā)射光譜外,不可缺少的重要基礎(chǔ)工作是研究地物對(duì)太陽(yáng)光照的反射光譜。

測(cè)量反射比有光譜與全譜測(cè)量以及絕對(duì)與相對(duì)測(cè)量之分。不言而喻,光譜測(cè)量