基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种可见光波段新型基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法和装置。本发明专利技术以低温辐射计作为光辐射通量计量的初级基准，采用了基于光陷阱结构的多波段滤光片式辐亮度计，实现了低温绝对辐射计到Ｔｒａｐ标准探测器的标准传递。本发明专利技术的多波段滤光片式辐亮度计结构紧凑、长期稳定性高，设计有精密恒温控制系统，可用于不同的环境温度中而测量精度不会降低，非常适合作为辐亮度的实验室基准加以长期保存或作为日常的工作标准加以使用，非常方便。可大大降低现有的辐亮度基准的不确定度，为辐射度学高精度计量基准的建立提供了一套全新的思路和方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于辐射度学之光辐射精确计量
，具体涉及一种新型基于标准探测器的高精度辐亮度探测基准的实现装置和方法。
技术介绍
到目前为止，辐亮度基准的实现通常采用的都是基于辐射源的方法。采用这种方法的初级标准是建立在绝对黑体理论基础上，由普朗克定律确定的，在可见—短波红外波段的工作标准是各种不确定度级别的辐亮度标准灯。根据普朗克黑体辐射定律，在某一特定波长上黑体的出射光谱辐亮度与黑体的温度一一对应。现有辐亮度基准就是依据这个原理，通过精确测定黑体的温度来建立辐亮度基准的。因此，在现有的基于高温黑体(1500K～3200K)的辐亮度初级基准建立过程中，高温黑体温度的精确测定，是最主要的不确定因素。而事实上，高温黑体温度的测定，其技术难度较大，所需设备复杂，精度很难提高，因而现有的辐亮度初级基准，其绝对精度本身就不高，不确定度较大，约为1％～4％左右；经过多级标准传递，最终到达用户的工作标准，其绝对精度更差，不确定度达到5％～10％左右。由于现有的辐亮度工作标准精度本身不高，限制了市面上各种型号光谱辐亮度计测量精度的进一步提高，使光谱辐亮度的计量和测量水平目前处于一个较低的层次，严重束缚了那些对辐亮度测量指标精度要求较高的行业发展的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于专利技术了一种新型基于标准探测器的高精度辐亮度探测基准的实现方法和装置。辐射源的初级标准采用了当前世界上测量光辐射通量精度最高的装置——低温绝对辐射计，辐亮度的传递标准和工作标准都采用了基于硅陷阱探测器的滤光片式辐亮度计。该方法的精度远优于现有的基于辐射源法，且由于标准的传递链较短，因而可以大大减小标准传递过程中的不确定因素。本专利技术专利技术了一套实现辐亮度探测基准的新型装置——多波段滤光片式辐亮度计。它采用了光陷阱结构的独特设计，体积小，重量轻，结构紧凑，操作简单，非常适合作为日常的辐亮度传递标准和工作标准使用。一种可见光波段新型基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法，包括以下步骤(1)、设计一个多波段滤光片式辐亮度计，该滤光片式辐亮度计实际上由三部分组成圆筒形的光阑筒部分、Trap探测器部分和电路采集控制部分，(2)、在圆筒形的光阑筒内依次安装视场光阑、去除杂散光光阑、孔径光阑和窄带干涉滤光片，然后将该光阑筒安装在一箱体上，箱体靠近窄带干涉滤光片一侧安装有一个多面体结构的Trap骨架，Trap骨架的紧贴光阑筒的面上留有一个圆形的光入射孔，其余三个面每个面上分别固定有一个硅光电二极管，设定这三个面分别为底面，左侧面，右侧面，这三个面的位置关系为光入射孔所在平面与底面垂面，右侧面与光入射孔所在平面成45度夹角，且右侧面与底面垂直，左侧面与底面成45度夹角，左侧面与光入射孔所在平面垂直，固定在Trap多面体骨架上的三个硅光电二极管在电路上采用并联连接方式，三个并联光电二极管所输出的光电流信号，经前放电路作I-V变化和放大，转变为电压信号，再经信号调理电路预处理后送入由单片机系统控制的A/D转换和信号处理单元部分，(3)、在(1)、(2)中所述的辐亮度计中的多面体结构Trap骨架及其后端的运放电路部分共同构成了一个光陷阱结构的Trap探测器；在可见光波段范围内选定几个波长激光，在各波长点上，利用低温绝对辐射计和HP34970A 6.5位数字电压表分别测量进入光陷阱结构Trap探测器的入射激光辐射通量和Trap探测器的输出电压信号，建立光陷阱结构Trap探测器在各个波长点上的输入光辐射通量和其输出电压之间的一一对应关系，通过内差和外推，计算得到Trap探测器在整个可见光波段内的绝对光谱响应率；经过上述低温绝对辐射计的绝对标定，Trap探测器就成为了一个光辐射功率标准探测器；(4)、根据辐射功率和辐射亮度的定义，辐射功率(辐射通量)φ是指单位时间dt通过某空间位置辐射能dQ，有φ＝dQ/dt；辐射亮度L是指离开、到达或者穿过某一表面单位立体角dΩ、单位投影面积dScosθ上的辐射通量dΦ，有L＝dΩ/dΩ·dS·cosθ；比较辐射通量和辐射亮度定义式的区别，可以看出，相对于辐射通量，辐射亮度的定义式中仅多了一个几何因子(dΩ·dS·cosθ)，而该几何因子实际上是由入射孔径和立体角共同决定的；即，辐亮度的测量相对于辐射通量的测量仅多了一个由入射孔径和立体角共同决定的几何因子的精确测定；因此，在Trap光功率标准探测器入射光路前方引入一个能限制入射孔径和立体角的圆筒形的光阑筒，并对该入射孔径和立体角进行精确测定后，通过公式严格计算，就可使Trap光辐射功率标准探测器转变为辐亮度标准探测器；(5)、在实测某朗伯特性目标时，通过温控系统，将辐亮度标准探测器温度控制在(3)中Trap光功率标准探测器相对于低温辐射计作绝对功率标定时的温度，至此，基于标准探测器的辐亮度标准建立完成。通过自由更换不同中心波长的窄带干涉滤光片，可构成不同中心波长的辐亮度探测基准。所述的高精度辐亮度探测基准的实现装置，其特征在于它包括去处杂散光光阑、精密温度传感器、视场光阑、孔径光阑、窄带干涉滤光片、VFD荧光数码显示屏、前面板按键键盘、RS232-C串行接口和基于光陷阱结构的Trap探测器。Trap探测器核心部分采用了结构设计巧妙的光陷阱结构。这种设计结构，使得入射光在Trap内部经过多次反射吸收后，几乎全部入射光都能被探测器接受完成光电转换。且Trap探测器偏振非敏感，多次测量时不会因入射光的偏振态不同对测量结果产生影响。所述的多波段滤光片式辐亮度计，设计有基于半导体致冷技术的精密恒温控制系统。摒弃了传统的温控水套的方法，采用了半导体致冷器Peltier，数字温度传感器DS18B20。数字温度传感器DS18B20固定安装在辐亮度计上，采用导热硅胶粘接，辐亮度计与温度传感器以及Peltier之间用导热环氧树脂粘接或低温焊料焊接。所述的多波段滤光片式辐亮度计，具有友好的人机交换界面，可以设置为远程计算机自动控制模式或本地工作模式。带有掉电非易失性存储器，当设置为自动测量状态时，本专利技术的辐亮度计可自动完成采集测量，结果存储于片上存储器中，测量结束后可通过RS232C串口传入上位PC机进行后期的数据统计分析处理。本专利技术辐射源的初级基准采用了当前世界上测量光辐射通量精度最高的装置——低温绝对辐射计。低温绝对辐射计利用电替代原理测量光辐射的绝对功率。入射光使辐射计内部接收腔的温度升高，达到热平衡后挡住入射光，用电加热产生同样温升所需要的电功率即等于实际的入射光功率，其中温度和电加热功率分别用锗电阻温度计和电桥精密测量。辐射计内部锥管形的接收腔内壁涂覆了高吸收率材料，入射光在其中多次反射后接近于完全被吸收。腔体处于液氮(77K)和液氦(4.2K)双层冷屏蔽下，隔绝了环境热辐射，也使光和电加热过程达到极高的等效性。低温下导线及接头均处于超导状态，其欧姆损耗可以忽略。低温辐射计的上述设计特点使其用于光辐射测量的精度非常高，测量不确定度可达到0.01％。本专利技术的多波段滤光片式辐亮度计，其特征在于采用了光陷阱的独特结构设计。这种光陷阱设计结构采用三片平面型硅光电二极管，根据镜反射原理使入射到第一块硅光电二极管上的反射光打到第二块硅光电二极管，第二块硅光电二极管上的反射光再打到第三块硅光电二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于标准探测器的高精度辐亮度基准的实现方法，包括以下步骤：（１）、设计一个多波段滤光片式辐亮度计，该滤光片式辐亮度计实际上由三部分组成：圆筒形的光阑筒部分、Ｔｒａｐ探测器部分和电路采集控制部分，（２）、在圆筒形的光阑筒内依次安装视场光阑、去除杂散光光阑、孔径光阑和窄带干涉滤光片，然后将该光阑筒安装在一箱体上，箱体靠近窄带干涉滤光片一侧安装有一个多面体结构的Ｔｒａｐ骨架，Ｔｒａｐ骨架的紧贴光阑筒的面上留有一个圆形的光入射孔，其余三个面每个面上分别固定有一个硅光电二极管，设定这三个面分别为底面，左侧面，右侧面，这三个面的位置关系为：光入射孔所在平面与底面垂面，右侧面与光入射孔所在平面成４５度夹角，且右侧面与底面垂直，左侧面与底面成４５度夹角，左侧面与光入射孔所在平面垂直，固定在Ｔｒａｐ多面体骨架上的三个硅光电二极管在电路上采用并联连接方式，三个并联光电二极管所输出的光电流信号，经前放电路作Ｉ－Ｖ变化和放大，转变为电压信号，再经信号调理电路预处理后送入由单片机系统控制的Ａ／Ｄ转换和信号处理单元部分，（３）、在（１）、（２）中所述的辐亮度计中的多面体结构Ｔｒａｐ骨架及其后端的运放电路部分共同构成了一个光陷阱结构的Ｔｒａｐ探测器；在可见光波段范围内选定几个波长激光，在各波长点上，利用低温绝对辐射计和ＨＰ３４９７０Ａ６．５位数字电压表分别测量进入光陷阱结构Ｔｒａｐ探测器的入射激光辐射通量和Ｔｒａｐ探测器的输出电压信号，建立光陷阱结构Ｔｒａｐ探测器在各个波长点上的输入光辐射通量和其输出电压之间的一一对应关系，通过内差和外推，计算得到Ｔｒａｐ探测器在整个可见光波段内的绝对光谱响应率；经过上述低温绝对辐射计的绝对标定，Ｔｒａｐ探测器就成为了一个光辐射功率标准探测器；（４）、根据辐射功率和辐射亮度的定义，辐射功率（辐射能量）φ是指单位时间ｄｔ通过某空间位置辐射能ｄＱ，有：φ＝ｄＱ／ｄｔ；辐射亮度Ｌ是指离开、到达或者穿过某一表面单位立体角ｄΩ、单位投影面积ｄＳｃｏｓθ上的辐射能量ｄΦ，有：Ｌ＝ｄφ／ｄΩ.ｄＳ.ｃｏｓθ；比较辐射通量和辐射亮度定义式的区别，可以看出，相对于辐射通量，辐射亮度的定义式中仅多了一个几何因子（ｄΩ.ｄＳ.ｃｏｓθ），而该几何因子实际上是由入射孔径和立体角共同决定的；即，辐亮度的测量相对于辐射通量的测量仅多了一个由入射孔径和立体角共同决定的几何因子的精确测定；因此，在Ｔｒａｐ光功率标准探测器入射光路前方引入一...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李照洲，郑小兵，吴浩宇，
申请(专利权)人：中国科学院安徽光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]