光谱辐射度计实验指导.pdf

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1、光谱辐射度计实验辐射度学、光度学及色度学（以下简称“三度学”）是现代光电信息转换、传输、存储、显示、测量与计量技术的基础，正如“应用光学”和“波动光学”构成光学技术的基础那样，“三度学”已成为现代光学／光电信息工程的基础。光谱辐射度计则是“三度学”中常用的一种检测仪器。光谱辐射度计可以测定主动发光物体（光源）或被动发光物体（反射）的相对光谱能量分布（光的辐射强度与波长的关系曲线），以及“三度学”中的关有参数，如光谱辐射能量（或强度）、亮度、照度、色坐标、色温、主波长、色纯度、显色指数，„„，等等。因而被广泛应

2、用于物质的成分分析、材料的结构研究、光电检测、照明工程、建筑、纺织、印染、造纸、印刷、化工、家电、食品等行业（领域）。可以说，凡涉及到光与色的地方，都可能用到光谱辐射度计。一、实验目的（1）掌握光谱辐射度计测量光谱参数的原理；（2）了解PR-655型光谱辐射度计的原理与使用。二、实验原理PR‐655光谱辐射度计通过物镜或者其他光学配件有效收集光学辐射信号（光信号）。光信号通过反射镜上的孔径光阑到达衍射光栅（参见图2）。光栅把光按波长展开，就像棱镜把白色的光转换成彩虹一样。一个宽带光，例如太阳光是由很多不同波长

3、的光组成的。当衍射光栅暴露在这种类型的光下，它将从多角度反射光线产生一个分散的光谱就像一道彩虹。类似地，如果光栅接触了一种单一光源，比如一束激光，那么只有激光的特定波长的光会被反射。图1PR‐655简化方框图图2PR‐655光谱辐射度计图3PR‐655光谱测量范围PR‐655测量波长范围是380nm～780nm（即电磁波的可见光谱段）（参见图3）。衍射光谱到达CCD探测器。PR—655探测器是由128个单元组成，每个探测器单元均代表不同的颜色。测量时，辐射光通过自适应灵敏度算法在某个特定的时间内被取样测量。自

4、动适配感应器自动地根据光信号的强弱确定合适曝光时间。光测量后，探测器用同样积分时间再次测量探测器的暗电流，然后从每个探测器单元的光测量结果中减去暗电流的光信号贡献值。仪器出厂时已通过相应的校准系数校准光谱数据。校正系数包括波长精确度修正、光谱分布修正和光度修正。波长校准采用的是具有特征光谱的氦灯光源。线光源提供了已知的光谱发射谱线通过光栅分光后投射到多探测器上再通过软件显示。用于波长校准的氦谱线包括388.6nm，447.1nm，471.3nm，587.6nm，667.8nm，706.5nm和728.13nm

5、，接下来，可用光谱校准系数校准这些数据。这些校准系数确保被测目标光谱能量分布（SPD）和由此计算出的数据（比如CIE色度值）经过了正确的溯源。最后，校准系数（光度系数）确保光度测试结果的准确性，如亮度或照度。校正后的光谱数据用来计算光度和色度值包括亮度，CIE1931x,y和1976u’,v’的色坐标。相关色温和主波长。以下是一些基本的光度色度参数计算公式：（1）CIEXYZ三刺激值和光度：780X683S()()()X（1）380780Y683S()()()Y（2）380780Z

6、683S()()()Z（3）380式中，X、Y和Z是CIE的三刺激值。X表示红色，Y是绿色，Z是蓝色。Y还可表示光度值——在使用标准的MS-75镜头时，Y给出的是cd/m²——国际亮度单位（英制亮度单位是Footlamberts，简写为fc。1fc=0.2919cd/m²）。683是将流明（lm）转换成瓦（W）的一个常数。对于亮场环境（白天），555nm处683流明等同于1瓦的功率。S()是校正的光谱数据，X()、Y()、Z()是CIE三刺激值函数（见图4），()是光谱增量，对于PR655

7、的增量是4nm。图4CIE1931三刺激值函数得出X、Y和Z三个三刺激值后，有用的色度值，比如CIE1931x,y和CIE1976u’,v’可以通过下面的公式计算：（2）CIE1931x,y：Xx（4）XYZYy（5）XYZ（3）CIE1976u’,v’：u4X/(X15Y3)Z（6）v9/(YX15Y3)Z（7）三、实验装置本实验采用PR‐655型光谱辐射度计。该仪器由美国PhotoResearch公司生产，设计独特，使用方便，应用广泛。这种独特的电池供电便携式仪器采用快速扫描光

8、电传感器阵列，配置一个3.5彩色触摸屏显示器，AutoSync技术可以自动同步光源的刷新频率，从而最大程度上确保精确度。其它特性还包括：预留的外部触发器端口可以允许用户通过一个按钮开关或外围设备就可实现远程激活测量，一个SD卡可以实现测量数据的储存，以及超过12小时续航时间的可充电锂离子电池。表1PR-655主要技术指标PR-655通过2.253高分辨率全彩触摸屏和5个方向键的键盘控制