浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 光譜儀器是精密機(jī)械和光學(xué)儀器中個(gè)重要組成部分，同時(shí)它也是光譜學(xué)和光 譜技術(shù)中最基本的測(cè)試設(shè)備。 本文綜述了光譜分析技術(shù)的歷史和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在現(xiàn)代光譜要求快速測(cè)量和 功能集成的背景下，本課題研制了一種多功能的快速測(cè)量的光譜測(cè)量分析系統(tǒng)。整 個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)器件進(jìn)行透過(guò)率、反射率的在線測(cè)量，同時(shí)還可對(duì)光源進(jìn)行光 通量、色度等的自動(dòng)檢測(cè)工作。該系統(tǒng)的單次測(cè)量周期小于0 3 s ，可測(cè)量的光譜 范圍為3 8 0 n m l l o o n m ，測(cè)量精度可達(dá)0 5 ，采樣間隔實(shí)時(shí)可調(diào)。 文章第3 ，4 部分在前兩部分理論研究的基礎(chǔ)上，深入探討了硬件系統(tǒng)以及軟 件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。硬件組成部分包括光源，光路系統(tǒng)，光譜探測(cè)儀器和計(jì)算機(jī)，與目 前市面上的類似產(chǎn)品相比有獨(dú)創(chuàng)性。以v c + + 語(yǔ)言設(shè)計(jì)開發(fā)的光譜僅計(jì)算機(jī)軟件程 序采用模塊化結(jié)構(gòu)，擁有良好的用戶界面，完善的菜單，功能齊全，操作簡(jiǎn)捷。實(shí) 驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這套測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。 文章最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并就光譜實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)仍然存在的一些不足提出改 進(jìn)方向。 關(guān)鍵詞：光譜實(shí)時(shí)測(cè)量透過(guò)率、反射率測(cè)量光通量光輻射色度光學(xué)器件 光學(xué)特性 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a st h em o s tb a s i ct e s t i n ge q u i p m e n to fs p e c t r o s c o p ya n ds p e c t r u mt e c h n o l o g y ， s p e c t r o m e t e rp l a y si m p o r t a n t r o l e si nt h ef i e l d so fr e m o t es e n s i n ga n ds oo n t h i st h e s i sd e m o n s t r a t e st h ep r e s e n ta n dt h et r e n do fs k i l lo fs p e c t r u mt e c h n o l o g y d u et ot h er e q u e s to fh i g ht e s t i n gs p e e da n dm u l t i - f u n c t i o n ，w ed e v e l o p e da na u t o s p e c t r u md e t e c t i o ni n s t r u m e n tf o rs p e c t r u mt r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o nt e s to fp l a n e o p t i c a l d e v i c e s t h ew h o l em e a s u r e m e n ts y s t e mc a nb e u s e dt on o to u l yt e s tt h e t r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o nf o rp l a n eo p d c nd e v i c e s ，b u ta l s ot h e l i g h tp o w e ra n d c h r o m a t i cv a l u e sf o rl i g h ts o u r c e t h em e a s u r i n gp e r i o di sl e s st h a n0 3s e c o n d ，s p e c t r a l r a n g e c a i lb em e a s u r e di sb e t w e e n2 0 0 n t ot o110 0 n m ，m e a s u r i n g p r e c i s i o nr e a c h e so 5 ， a n dt h es a m p l i n gi n t e r v a lc a nb ea d j u s t e do nl i n e t h et h i r da n df o u rp a r t si n t r o d u c et h eh a r d w a r ec o n s t i t u t i o n ，s o f t w a r er e a l i z a t i o n t h em e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hi n c l u d e sl i g h ts o u r c e ，o p t i c a ls y s t e m ，s p e c t r o m e t e ra n d c o m p u t e rh a si t so w na d v a n t a g ec o m p a r e dt oo t h e rs i m i l a rp r o d u c t s a d o p t e dm o d u l a r d e s i g nm e t h o d ，n e ws p e c t r o m e t e rs o f t w a r ew h i c hi sd e s i g n e di nl a n g u a g ev c + + h a v e f o u rm o d u l e si n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t ad i s p l a y m o d u l ea n dd a t am a n a g e m e n tm o d u l e t h es o f t w a r eh a v ef r i e n d l yi n t e r f a c e ，f i m c t i o n a i l y c o m p l e t em e n u ，t h u sc a nb eo p e r a t e dv e r ye a s i l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i s m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y h a v e m a n y m e r i t ss u c ha s h i g h p r e c i s i o n ，q u i c ka n d c o n v e n i e n c e a tt h ee n do ft h et h e s i s ，as u m m a r ya n a l y s i so ff a c t o r si n f l u e n c i n gp r e c i s i o ni s d i s c u s s e d ，a n dw h a tm e a s u r e sc a nb ea d o p t e dt of u r t h e rt h es y s t e m p r e c i s i o na r e s u g g e s t e d k e y o r d s ：s p e c t r u m ，r e a l - t i m em e a s u r e m e n t , s p e c t r u mt r a n s m i s s i o n s p e c t r u m r e f l e c t i o n ，r a d i o m e t r y , l u m i n o u sf l u x ，c o l o r i m e t r y ，o p t i c a lm e d i u m ，o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c i i 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章前言 光譜測(cè)量?jī)x器是光學(xué)儀器的重要種類之一，它是一種利用光學(xué)光譜的色散原理、衍 射原理或光學(xué)調(diào)制原理而設(shè)計(jì)，研究、測(cè)定光輻射的頻率、強(qiáng)度特性及其變化規(guī)律，用 于對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分等特性進(jìn)行測(cè)量、分析和處理的基本光學(xué)儀器川。 傳統(tǒng)的光譜分析檢測(cè)技術(shù)基于光的發(fā)射和吸收原理，傳統(tǒng)光譜儀器是基于光學(xué)、精 密機(jī)械和電子學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)，近年來(lái)各個(gè)科技領(lǐng)域的飛速發(fā)展已推動(dòng)了光譜分析檢測(cè)技 術(shù)和光譜儀器的突破性發(fā)展，而使之成為高科技知識(shí)密集化的典型1 2 j ?，F(xiàn)代光譜測(cè)量?jī)x 器具有分析精度高、測(cè)量范圍大、速度快等優(yōu)點(diǎn)。光譜技術(shù)的應(yīng)用幾乎覆蓋了所有的科 學(xué)領(lǐng)域，怎樣將光譜儀器更有效的運(yùn)用到更多的領(lǐng)域中去，成為了新的研究課題。 1 1 光譜測(cè)量?jī)x器概述 1 1 1 光譜測(cè)量?jī)x器概念 光譜儀器是一種利用光學(xué)光譜的色散原理而設(shè)計(jì)的光學(xué)儀器。所謂光學(xué)光譜是指從 遠(yuǎn)紫夕 或者真空紫外光譜區(qū)( 波長(zhǎng)極限為l o 埃) 到遠(yuǎn)紅外( 波長(zhǎng)極限為i 毫米) 的整個(gè) 波段。它僅占電磁波區(qū)的一小部分( 參看表1 - 1 ) 。 表1 - 1電磁波譜表 波譜段y 射線x 射線紫外光線可見光線紅外光線無(wú)線電波 6 波長(zhǎng)( 埃) 1 0 4 0 3 1 0 3 1 0 ： 1 0 4 1 0 3 4 1 0 3 7 6 1 0 3 7 6 1 0 3 1 0 7 1 0 6 1 0 1 5 波數(shù)( 1 1 0 1 2 3 1 0 9 3 1 0 5 1 07 以5 2 5 1 0 4 1 3 1 3 x 1 0 4 1 01 7 l o 7 厘米11 0 31 0 41 0 4 頻率( 1 ， 3 3 x 3 1 0 ”- - - 7 5 7 5 x1 0 1 4 4 4 1 0 1 l 3 5 1 0 1 1 3 秒) 1 0 2 2 。1 0 1 91 0 2 2 _ 1 0 1 6x 1 0 1 41 0 1 41 0 l l1 0 光譜測(cè)量?jī)x器是應(yīng)用光的色散原理、衍射原理或光學(xué)調(diào)制原理，將不同頻率的光輻 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 射按照一定的規(guī)律分解開、形成光譜，配合一系列光學(xué)、精密機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射的頻率和強(qiáng)度的糖密測(cè)定、研究的目的。此類儀器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1 - 1 所示。 固1 - 1光灌儀器基本結(jié)構(gòu)框圖 1 光源和照明系統(tǒng) 光源是用來(lái)被研究的對(duì)象，或者用來(lái)照射或激發(fā)被研究的物質(zhì)的。照明系統(tǒng)用來(lái)盡 可能多地會(huì)聚光源輻射地光能量，并傳遞給儀器地準(zhǔn)直系統(tǒng)。 2 準(zhǔn)直系統(tǒng) 一般由入射狹縫和準(zhǔn)直物鏡組成。 3 色散系統(tǒng) 色散系統(tǒng)是用來(lái)將入射的復(fù)合光分解為光譜。色散元件有棱鏡，光柵等。 4 聚焦成像系統(tǒng) 把在空闖上色散開的各波長(zhǎng)的光束會(huì)聚或成象在成象物鏡的焦平面上，形成一系列 按波長(zhǎng)排列的單色狹縫象。 5 探測(cè)和顯示系統(tǒng) 這一部分的作用是接收各光譜元的信號(hào)，并測(cè)量其組成波長(zhǎng)、強(qiáng)度等，并記錄 和顯示。 1 1 2 發(fā)展歷史與趨勢(shì) 牛頓建立了光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，在1 6 6 6 年的時(shí)候，他將太陽(yáng)通過(guò)圓孔射到置于暗室 中的三棱鏡上，太陽(yáng)通過(guò)玻璃三棱鏡分解成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等7 種彩色圓 象，在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，牛頓把分離的彩色圓象再通過(guò)同樣的三棱鏡，將它又重新組合成 “白光”。1 8 0 2 年，沃拉斯頓使用狹縫代替了牛頓分光裝置中的圓孔，使光譜儀器的分 辨率急劇提高。1 8 1 4 年，夫朗和費(fèi)設(shè)計(jì)制成了包含有色散棱鏡、狹縫和觀察鏡的分光裝 置。隨著光譜學(xué)研究的進(jìn)展，這種分光裝置不斷得到改善。到1 8 5 9 年，克希霍夫和本生 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)計(jì)和制造了一種完善的分光裝置，這種裝置完全具備了現(xiàn)在光譜儀器的主要特點(diǎn)，是 世界上第一臺(tái)實(shí)用的光譜儀器。 在1 8 5 9 1 8 6 2 年之間，克?；舴蚝捅旧米约旱墓庾V儀器，細(xì)致地研究了夫朗和 費(fèi)譜線以及火焰、電火花中的各種金屬譜線，使得人們看到了光譜儀器的巨大的應(yīng)用價(jià) 值。他們大量系統(tǒng)地開展了光譜實(shí)驗(yàn)研究工作，光譜儀器正式成為了實(shí)驗(yàn)室里強(qiáng)有力的 研究工具。同時(shí)這也促進(jìn)著光譜儀器的進(jìn)一步發(fā)展，1 8 8 2 年，羅蘭發(fā)明了凹球面光柵， 解決了當(dāng)時(shí)棱鏡光譜儀器所碰到的不可克服的困難。 隨著光譜理論的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，光譜分析方法逐漸走出了實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)部門 中開始被廣泛應(yīng)用了，光譜儀器得到了迅速的發(fā)展，它的改進(jìn)是按兩個(gè)方面進(jìn)行的：改 善光源和提高光譜儀器本身的性能。到5 0 年代，已形成了完整的光譜儀器制造工業(yè)系統(tǒng)， 世界各主要國(guó)家均有光譜儀器的生產(chǎn)工廠。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，光譜儀器在第二次是世界大戰(zhàn)前后開始實(shí)現(xiàn)光電化。光電化 不僅可以提高工作速度和分析精度，而且更重要的是便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。光電化的實(shí)現(xiàn)表 現(xiàn)在光電元件和熱輻射元件的發(fā)展，光電倍增管，衍射光柵，示波器都紛紛被應(yīng)用在光 譜儀器中了【3 j 。 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展有力地促進(jìn)了光譜儀器的光電化和自動(dòng)化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展， 光電光譜儀器一定會(huì)成為工業(yè)自動(dòng)化流程中直接測(cè)試和控制產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過(guò)程的設(shè)備之 一。激光技術(shù)的發(fā)展改變了光譜儀的面貌，擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，開拓了光學(xué)微區(qū)光譜 分析的道路。由于新型光電、熱電等材料的出現(xiàn)以及集成元、器件及探測(cè)技術(shù)的發(fā)展， 發(fā)展了適用于廣各波段的高探測(cè)極限靈敏度的真空光電子元、器件、半導(dǎo)體光電、熱電 元、器件，熱釋電器件和電荷耦合器件( c c d ) ，為光譜輻射測(cè)量提供了探測(cè)元、器件【5 1 。 把傳統(tǒng)的色散型光譜儀和固體成象器件結(jié)合起來(lái)，是器件的光敏面和靶面上的每個(gè)象元 同時(shí)接收到波長(zhǎng)不同的光譜元，在用電子束掃描的方法將這些光譜元信息讀取和顯示出 來(lái)，得到要求的光譜圖。這種器件的靈敏度高，“曝光”時(shí)間極短，而電子束掃描速度 快，可以用來(lái)研究微秒甚至納秒量級(jí)的過(guò)程。 隨著光譜測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，光譜測(cè)量?jī)x器亦處于不斷的發(fā)展中。它一方面 隨著光譜學(xué)和光譜技術(shù)及其他利用光譜學(xué)和光譜技術(shù)作為研究分析手段的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域 的發(fā)展而發(fā)展。今后，為了滿足更廣泛的需求，光譜儀器的發(fā)展必然朝著以下幾個(gè)方向 發(fā)展 2 , 4 , 5 1 ： 3 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 小型化、專門化、簡(jiǎn)用化 這是光譜儀的新時(shí)代發(fā)展另一方向，它與大型、高、精、尖發(fā)展方向逆對(duì)的發(fā)展方 向。光譜儀器中必需的光源、分析器件、探測(cè)器件、微電子器件、微處理器等等，如今 都已有種種小型化、微型化、全固態(tài)的產(chǎn)品可供應(yīng)用，加上近年來(lái)在光譜數(shù)據(jù)處理軟件( 如 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件) 的發(fā)展，光譜儀器小型化、筒用化才得以迅速發(fā)展，可以預(yù)計(jì)，今后若 干年不但對(duì)小型化、專門化、簡(jiǎn)用化、家用化光譜儀器的需求會(huì)更加增加，而巳開發(fā)這 些儀器的硬件軟件物質(zhì)條件會(huì)更加齊備，因此光譜儀器發(fā)展這一端方向不可忽視，其科 技發(fā)展意義和市場(chǎng)擴(kuò)展前景是十分重大的。 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，新時(shí)代光譜儀器小型化發(fā)展并不意味著低水平，其技術(shù)指標(biāo)、功能水平 都是符和新時(shí)代光譜分析檢測(cè)技術(shù)發(fā)展要求的。 2 光譜傳感器微型化、生物化 現(xiàn)在已有不少儀器采用光纖與化學(xué)試劑或生物材料( 如酌) 的種種結(jié)合，構(gòu)成微型光 纖化學(xué)、光纖生化光譜傳感器( 微光譜探頭) ，這方面的研究和實(shí)用化今后肯定還會(huì)不斷 深化和推廣。 目前納米技術(shù)和納米材料科技的快速發(fā)展，也肯定會(huì)促進(jìn)光譜傳感器微型化進(jìn)程。 目前，已有采用納米粒子進(jìn)行熒光免疫和增強(qiáng)r a m a n 檢測(cè)的技術(shù)和儀器報(bào)導(dǎo)，用于病毒 感染、心血疾病和癌癥的分析、診斷。 芯片技術(shù)已從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)移植到微型傳感器技術(shù)，尤其在生物醫(yī)學(xué)分析儀 器和戰(zhàn)場(chǎng)生物、化學(xué)毒物監(jiān)側(cè)儀器中，應(yīng)用前景無(wú)量。 3 光譜儀器網(wǎng)絡(luò)化 當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)鋪天蓋地、無(wú)孔不入，光譜儀器中配置調(diào)制解調(diào)器連接i n t e m e t 網(wǎng)絡(luò)的想 法順理成章、并已在不少國(guó)外光譜儀器中實(shí)施。今后的問(wèn)題是光譜儀器網(wǎng)絡(luò)化的內(nèi)涵、 功能、實(shí)效究競(jìng)?cè)绾?，?huì)對(duì)光譜分析檢測(cè)技術(shù)和光譜儀器的發(fā)展產(chǎn)生什么影響，有多大 多深的程度，還需靜觀深思。 4 光譜儀器虛擬化 建立在計(jì)算機(jī)硬件、軟件發(fā)展基礎(chǔ)上的虛擬化儀器設(shè)計(jì)目前正方興未艾，這預(yù)示了 今后儀器設(shè)計(jì)觀念和應(yīng)用模式的巨大變革。傳統(tǒng)儀器單一、任務(wù)固定對(duì)象的設(shè)計(jì)和應(yīng)用 概念受到?jīng)_擊甚至?xí)煌黄??？梢灶A(yù)期，像光譜儀器這樣廣泛應(yīng)用的儀器，集虛擬、模 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 糊新概念的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法一定會(huì)影響下一代光譜儀器的設(shè)計(jì)、制造和使用，而且 不僅只影響到光譜分析檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用，是否會(huì)攪亂( 或重組) 傳統(tǒng)光譜儀器譜系 和型式慣例，現(xiàn)在還難以評(píng)說(shuō)。 1 1 3 光譜測(cè)量?jī)x器的典型應(yīng)用 光譜儀器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如農(nóng)業(yè)、天文、汽車、生物、化學(xué)、鍍膜、色度計(jì) 量、環(huán)境檢測(cè)、薄膜工業(yè)、食品、寶石檢測(cè)、l e d 檢測(cè)、印刷、造紙、喇曼光譜、半導(dǎo) 體工業(yè)等。下面介紹一些典型應(yīng)用。還有很多應(yīng)用不在這里贅述了。 1 顏色測(cè)量 一般來(lái)說(shuō)，物體和濃稠液體的顏色測(cè)量可以使用不同的實(shí)驗(yàn)布局，比如使用反射型 光纖探頭或積分球。在該測(cè)量中，可以使用波長(zhǎng)范圍在3 8 0 到7 8 0 n m ，分辨率( f w h m ) 為5 n m 的光譜儀；此外，還需要白光連續(xù)光源和白色反射瓦。對(duì)于測(cè)量紡織品、紙張、 水果、葡萄酒、鳥類羽毛顏色等不同的應(yīng)用可以使用不同的光纖探頭。應(yīng)用反射光譜的 顏色測(cè)量的典型實(shí)驗(yàn)布局如圖1 2 所示。 圖1 - 2顏色測(cè)量典型實(shí)驗(yàn)配置 2 紫# t - n - i 見光譜吸收測(cè)量 液體的吸收率測(cè)量可以用不同的實(shí)驗(yàn)布局和波長(zhǎng)范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)，如使用浸入型光纖探 頭或流動(dòng)樣品池進(jìn)行在線吸收率測(cè)量，或使用樣品固定器進(jìn)行樣品的吸收率測(cè)量。對(duì)于 測(cè)量紫外1 可見波長(zhǎng)范圍的光譜儀，可以選擇波長(zhǎng)范圍2 0 0 1 1 0 0 r i m 、分辨率 1 4 n m ( f w h m ) 。此外還需要氘- 鹵素?zé)糇鳛楣庠?。不同的?yīng)用可以選擇不同的光纖探頭。 吸收率測(cè)量的典型實(shí)驗(yàn)布局如圖1 3 所示。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 - 3紫外可見吸收光譜測(cè)量典型實(shí)驗(yàn)配置 3 發(fā)射譜測(cè)量 發(fā)射光譜測(cè)量可以用不同的實(shí)驗(yàn)布局和波長(zhǎng)范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)，還要用到余弦校正器或積 分球。發(fā)射光譜測(cè)量可以在紫外可見和可見近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量。 對(duì)于發(fā)射光譜的絕對(duì)測(cè)量，光譜儀可以配置成波長(zhǎng)范圍從2 0 0 4 0 0 r i m 或 3 5 0 11 0 0 r i m ，或組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)紫外可見2 0 0 11 0 0 n r n 。典型實(shí)驗(yàn)布局如圖1 - 4 所示。 4 l e d 的測(cè)量 圖1 - 4發(fā)射光譜測(cè)量典型實(shí)驗(yàn)配置 最簡(jiǎn)單而且迅速地測(cè)量l e d 的整個(gè)光通量的方法就是使用一個(gè)積分球，并把它連接 到光譜儀上。該系統(tǒng)可以用鹵素?zé)暨M(jìn)行定標(biāo)，然后用測(cè)量到的光譜分布計(jì)算出相關(guān)參數(shù)， 并實(shí)現(xiàn)輻射量的絕對(duì)測(cè)量。所測(cè)光源的光譜發(fā)光強(qiáng)度還可以用pw l c m 2 n m 來(lái)計(jì)算、顯 示并存儲(chǔ)。另外還可以測(cè)得輻射量uw c m 2 ，uj c m 2 ，uw 或uj ；光通量l u x 或l u m e n ， 色軸x ，y ，z ，x ，y ，z ，u ，v 和色溫。l e d 測(cè)量的典型實(shí)驗(yàn)布局如圖1 5 所示。 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 氧濃度測(cè)量傳感器 圖1 - 5l e d 測(cè)量典型實(shí)驗(yàn)配置 氧濃度傳感器包括一個(gè)光纖熒光探頭，探頭表面鍍有專利技術(shù)的膜層，并使用一個(gè) 藍(lán)光l e d 作為激發(fā)源，還有一臺(tái)高靈敏度的微型光譜儀。該傳感器應(yīng)用熒光技術(shù)測(cè)量氧 的絕對(duì)含量，樣品產(chǎn)生的熒光反射回探測(cè)器上。當(dāng)氣態(tài)或液態(tài)樣品中的氧擴(kuò)散到探頭的 膜層上時(shí)，就會(huì)使熒光猝滅，猝滅的程度與樣品中的氧的濃度是相關(guān)的。氧濃度測(cè)量的 典型實(shí)驗(yàn)布局如圖1 - 6 所示。 6 寶石成分測(cè)量 圖1 - 6氧濃度測(cè)量典型實(shí)驗(yàn)配置 顏色是判斷鉆石成色的決定因素之一，天然鉆石和人造鉆石可以用波長(zhǎng)范圍在 4 0 0 7 5 0 n m 的光檢測(cè)出來(lái)。在天然i a 類鉆石的吸收譜中可以發(fā)現(xiàn)4 1 5 n m 和4 7 8 n m 的特 征波長(zhǎng)，而人造鉆石在該波長(zhǎng)處則沒(méi)有吸收峰。人造鉆石中可以探測(cè)到5 9 2 n m 和7 4 1 n r n 的波長(zhǎng)。而且天然鉆石和人造鉆石的吸收峰福值相差近l o 倍。當(dāng)然其它寶石也可以用這 種方法檢測(cè)，如紅寶石、紫翠玉、藍(lán)寶石等。寶石成分檢測(cè)的典型實(shí)驗(yàn)布局如圖1 7 所 不。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 真空鍍膜過(guò)程監(jiān)控 圖j 一7寶石成份檢測(cè)典型實(shí)驗(yàn)配置 光纖光譜儀為真空室內(nèi)鍍膜過(guò)程的監(jiān)控提供了一種靈活的測(cè)量手段，它可以方便地 把光引入著引出真空室或潔凈工作倉(cāng)，同時(shí)選擇鍍膜過(guò)程分析所需要測(cè)量的參數(shù)。在實(shí) 際的在線生產(chǎn)中，可以在工作倉(cāng)中放置幾個(gè)探頭來(lái)檢測(cè)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。圖示為真空室鍍 膜過(guò)程監(jiān)控的典型實(shí)驗(yàn)布局。在這里一個(gè)反射型光纖探頭用來(lái)在線監(jiān)測(cè)鍍膜過(guò)程。氘 鹵素?zé)舭l(fā)出的光被導(dǎo)入真空室并傳導(dǎo)到反射探頭上。反射光由反射探頭傳導(dǎo)到光譜儀中； 也可以再增加一個(gè)通道作為參考測(cè)量來(lái)補(bǔ)償光源的波動(dòng)。 8 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 血成分分析的非侵入式和侵入式的光譜學(xué)測(cè)量手段，測(cè)量了許多重要的醫(yī)學(xué)指標(biāo)， 如組織和紋理中的氧濃度、血色素、細(xì)胞色素和水濃度等。非侵入式檢鍘系統(tǒng)包括微型 光纖光譜儀、l s 一1 鹵鎢燈和反射型光纖探頭，而侵入式檢測(cè)系統(tǒng)則使用了一根植入于導(dǎo) 管中的特殊的反射型光纖探頭。 在需要連續(xù)測(cè)量氧濃度、血色素的氧化和去氧化過(guò)程的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，該系統(tǒng)得n t 成功的應(yīng)用。 9 材料( 金屬，非金屬) 成分檢測(cè) l i b s ( 激光誘導(dǎo)熒光) 技術(shù)是基于激光束聚焦到被測(cè)樣品上所產(chǎn)生的物質(zhì)電離過(guò)程， 電子的再結(jié)合會(huì)發(fā)光，對(duì)該光譜進(jìn)行分析研究可以得到被測(cè)物質(zhì)的成分。 l i b s 技術(shù)最初是由美國(guó)l o sa l a m o s 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的d a v i dc r e m e r s 研究小組在二十多 年前發(fā)明的。從此以后，l i b s 技術(shù)成功地被用于痕量元素的檢測(cè)和惡劣環(huán)境下的在線成 r 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 分分析等應(yīng)用中。 根據(jù)所分析的元素不同，l i b s 技術(shù)可以探測(cè)p p m 到p p t 級(jí)的含量。而且不需要對(duì)所 測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)加工( 如拋光，溶解等) ，可以分析固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)樣品。 1 2 課題研究的重要性 本課題主要旨在研究一套能實(shí)時(shí)、快速測(cè)量光源輻射度、色溫、鍍膜光學(xué)器件折射 率、反射率等光學(xué)參數(shù)的有硬件裝置和軟件控制的完備的基于光譜測(cè)量技術(shù)的系統(tǒng)。課 題的意義闡述如下。 1 2 1 光學(xué)器件光學(xué)參數(shù)的測(cè)量 有些光學(xué)系統(tǒng)，特別是光學(xué)零件，需要測(cè)量它對(duì)每一種波長(zhǎng)的單色光的光度性能( 投 射、反射、吸收等) ，即分光光度性能。當(dāng)使用光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電 二極管等這些探測(cè)器時(shí)，在測(cè)量分光光度性能時(shí)，必須使用單色光做光源。單色光源可 以用以下幾種方法獲得泊1 。 一種方法是借助干涉濾光片獲得單色光。讓普通光源發(fā)出的光通過(guò)干涉濾光片能得 到波長(zhǎng)范圍為幾十埃到幾百埃的單色光。這種方法比較簡(jiǎn)便，但由于干涉濾光片的限制， 單色光波長(zhǎng)范圍不可能連續(xù)改變。 另一種方法是用光譜燈作為單色光源。實(shí)驗(yàn)室常用的光譜燈，有汞燈，鈉燈，氫燈， 氖燈，鎘燈等等。光譜燈發(fā)出的光僅限于元素本身特有的幾種單色光。借助于簡(jiǎn)單的單 色玻璃濾光片，可以把元素發(fā)出的幾種單色光分開，得到所需的單色光。這種方法的優(yōu) 點(diǎn)是，單色光的波長(zhǎng)可以精確得知道，缺點(diǎn)是不能連續(xù)改變單色光波長(zhǎng)，往往需要多種 光譜燈，才能達(dá)到測(cè)量的目的。 再一種方法是使用單色光計(jì)( 單色儀) 得到單色光。光源發(fā)出的光經(jīng)單色光計(jì)分光 后，從單色計(jì)狹縫中射出單色光。轉(zhuǎn)動(dòng)波長(zhǎng)選擇器，可以連續(xù)改變單色光波長(zhǎng)。 在使用以上這些方法時(shí)，或者需要多個(gè)光源，且不能得到連續(xù)波長(zhǎng)的光學(xué)參數(shù)，或 者需要額外的一些儀器，因此使用以ccd 作光電探測(cè)器的光譜測(cè)量系統(tǒng)有很大的優(yōu)越 性。 另外一種延伸的應(yīng)用是測(cè)量薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度。人們已經(jīng)提出了很多種測(cè)量薄 9 浙旺大學(xué)碗士學(xué)位論立 分分析等應(yīng)用中。 根據(jù)所分析的元素不同，l i b s 技術(shù)可以探測(cè)p p m 到p p t 級(jí)的含量。而且不需要對(duì)所 測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)加工( 如拋光，溶解等) ，可以分析固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)樣品。 1 2 課題研究的重要性 本課題主要旨在研究一套能實(shí)時(shí)、快速測(cè)量光源輻射度、色溫、鍍膜光學(xué)器件折利 率、反射率等光學(xué)參數(shù)的有硬件裝置和軟件控制的完備的基于光譜測(cè)量技術(shù)的系統(tǒng)。課 題的意義闡述如下。 1 2 1 光學(xué)器件光學(xué)參數(shù)的測(cè)量 有些光學(xué)系統(tǒng)，特別是光學(xué)零件，需要測(cè)量它對(duì)每年十波長(zhǎng)的單色光的光度性能( 投 射、反射、吸收等) ，即分光光度性能。當(dāng)使用光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電 二極管等這些探測(cè)器時(shí)，在測(cè)量分光光度性能時(shí)，必須使用單色光做光源。單色光源可 以用以下幾種方法獲得“1 。 一種方法是借助干涉濾光片獲得單色光。讓普通光源發(fā)出的光通過(guò)干涉濾光片能得 到波長(zhǎng)范圍為幾十埃到幾百埃的單色光。這種方法比較簡(jiǎn)便，但由于干涉濾光片的限制， 單色光波長(zhǎng)范圍不可能連續(xù)改變， 另一種方法是用光譜燈作為單色光源。實(shí)驗(yàn)室常用的光譜燈，有汞燈，鈉燈，氫燈， 氖燈，鎘燈等等。光譜燈發(fā)出的光僅限于元素本身特有的幾種單色光。借助于簡(jiǎn)單的單 色玻璃濾光片，可以把元素發(fā)出的幾種單色光分開，得到所需的單色光。這種方法的優(yōu) 點(diǎn)是，單色光的波長(zhǎng)可以精確得知道，缺點(diǎn)是不能連續(xù)改變單色光波長(zhǎng)，往往需要多種 光譜燈，才能達(dá)到鞭4 量的目的， 再種方法是使用單色光計(jì)( 單色儀) 得到單色光。光源發(fā)出的光經(jīng)單色光計(jì)分光 后，從單色計(jì)狹縫中射出單色光。轉(zhuǎn)動(dòng)波長(zhǎng)選擇器，可以連續(xù)改變單色光波長(zhǎng)。 在使用以上這些方法時(shí)，或者需要多個(gè)光源，且不能得到連續(xù)波長(zhǎng)的光學(xué)參數(shù)，或 者需要額外的一些儀器，因此使用以ccd 作光電探測(cè)器的光譜測(cè)量系統(tǒng)有很大的優(yōu)越 眭。 另外一種延伸的應(yīng)用是測(cè)量薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度。人們已經(jīng)提出了很多種測(cè)量薄 另外一種延伸的應(yīng)用是測(cè)量薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度。人們已經(jīng)提出了很多種測(cè)量薄 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 分分析等應(yīng)用中。 根據(jù)所分析的元素不同，l i b s 技術(shù)可以探測(cè)p p m 到p p t 級(jí)的含量。而且不需要對(duì)所 測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)加工( 如拋光，溶解等) ，可以分析固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)樣品。 1 2 課題研究的重要性 本課題主要旨在研究一套能實(shí)時(shí)、快速測(cè)量光源輻射度、色溫、鍍膜光學(xué)器件折射 率、反射率等光學(xué)參數(shù)的有硬件裝置和軟件控制的完備的基于光譜測(cè)量技術(shù)的系統(tǒng)。課 題的意義闡述如下。 1 2 1 光學(xué)器件光學(xué)參數(shù)的測(cè)量 有些光學(xué)系統(tǒng)，特別是光學(xué)零件，需要測(cè)量它對(duì)每一種波長(zhǎng)的單色光的光度性能( 投 射、反射、吸收等) ，即分光光度性能。當(dāng)使用光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電 二極管等這些探測(cè)器時(shí)，在測(cè)量分光光度性能時(shí)，必須使用單色光做光源。單色光源可 以用以下幾種方法獲得泊1 。 一種方法是借助干涉濾光片獲得單色光。讓普通光源發(fā)出的光通過(guò)干涉濾光片能得 到波長(zhǎng)范圍為幾十埃到幾百埃的單色光。這種方法比較簡(jiǎn)便，但由于干涉濾光片的限制， 單色光波長(zhǎng)范圍不可能連續(xù)改變。 另一種方法是用光譜燈作為單色光源。實(shí)驗(yàn)室常用的光譜燈，有汞燈，鈉燈，氫燈， 氖燈，鎘燈等等。光譜燈發(fā)出的光僅限于元素本身特有的幾種單色光。借助于簡(jiǎn)單的單 色玻璃濾光片，可以把元素發(fā)出的幾種單色光分開，得到所需的單色光。這種方法的優(yōu) 點(diǎn)是，單色光的波長(zhǎng)可以精確得知道，缺點(diǎn)是不能連續(xù)改變單色光波長(zhǎng)，往往需要多種 光譜燈，才能達(dá)到測(cè)量的目的。 再一種方法是使用單色光計(jì)( 單色儀) 得到單色光。光源發(fā)出的光經(jīng)單色光計(jì)分光 后，從單色計(jì)狹縫中射出單色光。轉(zhuǎn)動(dòng)波長(zhǎng)選擇器，可以連續(xù)改變單色光波長(zhǎng)。 在使用以上這些方法時(shí)，或者需要多個(gè)光源，且不能得到連續(xù)波長(zhǎng)的光學(xué)參數(shù)，或 者需要額外的一些儀器，因此使用以ccd 作光電探測(cè)器的光譜測(cè)量系統(tǒng)有很大的優(yōu)越 性。 另外一種延伸的應(yīng)用是測(cè)量薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度。人們已經(jīng)提出了很多種測(cè)量薄 9 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 膜光學(xué)常數(shù)的方法。如橢偏法外差干涉測(cè)量法【8 l ，移相干涉法【9 】，光度測(cè)量法等等。 這些方法各有千秋，可以滿足不同的需要，但也有其局限性。橢偏法雖然精度高，可當(dāng) 薄膜較厚時(shí)已經(jīng)很難測(cè)準(zhǔn)，且數(shù)據(jù)處理起來(lái)也很復(fù)雜。外差干涉法雖然解決了諸如光源 的穩(wěn)定性、散射光、內(nèi)部反射等因素對(duì)測(cè)量精度的影響，可由于要滿足全反射條件，因 而被測(cè)折射率的大小受限。移相法會(huì)遇到相位的不確定性等問(wèn)題。光度法和反射光譜法 中利用分光光度計(jì)測(cè)量反射率時(shí)穩(wěn)定性不好，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不是很精確。這是因?yàn)榉瓷渎蕦?duì) 薄膜表面條件的依賴性很強(qiáng)，對(duì)入射角的變化也很敏感。然而在測(cè)量透射率時(shí)，這些因 素的影響要小得多，因此，透射率的測(cè)量值穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)精確。正是由于上述原因， 在過(guò)去2 0 多年里，更多的報(bào)道是采用透射光譜法”?！?。透射光譜再結(jié)合一些算法，如退 火模擬算法等，我們就可以確定薄膜材料的折射率、消光系數(shù)及膜厚等光學(xué)參數(shù)粥。 但是當(dāng)基板是高反射率時(shí)，這時(shí)采用反射干涉光譜法來(lái)測(cè)量薄膜的光學(xué)常數(shù)比較有 效 1 4 】。 而且我們的系統(tǒng)是快速實(shí)時(shí)的測(cè)量系統(tǒng)，這時(shí)就可以被實(shí)現(xiàn)到鍍膜在線過(guò)程監(jiān)控等 應(yīng)用。 1 2 2 光輻射測(cè)量和色度學(xué)性1 e , - n 量的重要性 光輻射計(jì)量是整個(gè)光學(xué)計(jì)量最基本的組成部分。應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及到光度、 光譜光度、紅外輻射、微光夜視、激光功率和能量等分專業(yè)。這些參數(shù)的計(jì)量在現(xiàn)代化 的戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著巨大的作用。通過(guò)科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)的啟示證明：重視光輻射計(jì)量工作有著深遠(yuǎn) 的戰(zhàn)略意義。 從某種意義來(lái)說(shuō)，由于我們生活在一個(gè)輻射能的環(huán)境中，我們被天然的電磁能源所 包圍，就產(chǎn)生了許多鍘量和控制輻射能的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。輻射度量的測(cè)量 對(duì)于航空、航天、核能、材料、能源衛(wèi)生及冶金等高科技工業(yè)部門的發(fā)展顯得越來(lái)越重 要。例如：在空間技術(shù)中，為了模擬太陽(yáng)的輻射，要求對(duì)模擬太陽(yáng)的光譜能量分布及色溫 進(jìn)行測(cè)量，在該技術(shù)中要求對(duì)核爆炸的光譜分布和爆炸溫度進(jìn)行測(cè)量。所以輻射度量的 測(cè)量在極其廣闊的應(yīng)用范圍內(nèi)具有重要意義。 所謂光源色溫是指光源所發(fā)出的光的顏色與某個(gè)溫度的黑體所發(fā)出的光的顏色相同 或最接近的這個(gè)黑體的溫度，屬于最基本的色度學(xué)性能之一。色溫測(cè)量的基礎(chǔ)是光源光 譜功率分布的測(cè)量和研究色溫測(cè)量對(duì)于燈泡工業(yè)和照明工程等具有很重要的意義。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 由此可見測(cè)量光輻射的光譜輻照度、輻亮度及光源色溫是非常必要的。 1 3 本論文主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) 在新世紀(jì)里光譜技術(shù)和光譜儀器領(lǐng)域出現(xiàn)了令人驚詫的復(fù)興和大發(fā)展浪潮。光譜儀 器的數(shù)字化，智能化，使其應(yīng)用范圍目益廣泛，需求越來(lái)越大。體積輕、重量小、使用 方便、可集成、功能全面的光譜測(cè)量系統(tǒng)將更受歡迎，同時(shí)要求其測(cè)量速度快，實(shí)現(xiàn)實(shí) 時(shí)測(cè)量或監(jiān)測(cè)。 本課題研究了一套完備的硬件和軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以測(cè)量色溫，物體顏色，光通 量、輻射度等，還可以測(cè)量光學(xué)器件的透射率和各種角度的反射率，目前市場(chǎng)上的類似 產(chǎn)品或者只能測(cè)量透射率，或者只能測(cè)量反射率，所以該系統(tǒng)具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性。同 時(shí)基于硬件特性研制的軟件系統(tǒng)具有強(qiáng)大的功能，人性化的界面和可擴(kuò)展的接口?？偠?言之，本課題研究的這種快速掃描的實(shí)時(shí)光譜測(cè)量系統(tǒng)，硬件上具有性能穩(wěn)定、測(cè)量精 度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于操作等優(yōu)點(diǎn)；配套軟件的功能強(qiáng)大、人性化、速度快，并實(shí) 現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。創(chuàng)新點(diǎn)之一為硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將在第3 章進(jìn)行說(shuō)明。創(chuàng)新點(diǎn)之二為開發(fā)軟 件的功能強(qiáng)大性，將在第4 章予以介紹。 在本章簡(jiǎn)要概述了光譜測(cè)量技術(shù)、光譜儀器的基本概念、發(fā)展歷史和趨勢(shì)，并闡述 了本課題的研究目的、重要性和創(chuàng)新性后，本碩士論文將主要圍繞一下幾個(gè)部分展開深 入討論： 第二章簡(jiǎn)要介紹了折射率、反射率測(cè)量的原理，色度測(cè)量和光輻射測(cè)量的一些基本 的光度學(xué)和色度學(xué)理論知識(shí)； 第三章著重介紹本測(cè)量系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)，包括整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及測(cè)量系統(tǒng)中的各 部分：光源、光譜儀器，光路介紹等； 第四章主要介紹了我們研制的配套軟件的強(qiáng)大功能及其特點(diǎn)所在； 第五章在在我們搭建的系統(tǒng)上做一些實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)鍍膜光學(xué)元件的反射率、 折射率的測(cè)量，相對(duì)輻射的測(cè)量，色溫的測(cè)量； 第六章對(duì)我們已經(jīng)做了的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)尚需進(jìn)一步開展的工作提出展望。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 1 陳復(fù)生精密分析儀器及其應(yīng)用四川科學(xué)技術(shù)出版社，1 9 8 8 2 范世福光譜技術(shù)和儀器的新發(fā)展光學(xué)儀器，2 0 0 0 ，2 2 ( 4 ) ，3 5 4 0 3 吳國(guó)安光譜儀器設(shè)計(jì)。科學(xué)出版社，1 9 7 8 4 張開遜儀器儀表與現(xiàn)代社會(huì)儀器儀表學(xué)報(bào)，1 9 9 7 ，1 8 ( 5 ) 5 金欽漢從9 9 匹茲堡會(huì)議看分析儀器的跨世發(fā)展動(dòng)向現(xiàn)代科學(xué)儀器，1 9 9 9 ，n o 5 ， n o 8 6 ，機(jī)械工業(yè)部?jī)x器儀表工業(yè)局統(tǒng)編光學(xué)測(cè)量機(jī)械工業(yè)出版社，1 9 8 5 7 j a k o p i cgp a p o u s e kwa p p l o p t ，2 0 0 0 ，3 9 ( 1 6 ) ：2 7 2 7 2 7 3 2 8 c h i um ，l e ej ，s ud a p p l o p t ，1 9 9 9 ，3 8 ( 9 ) ：4 0 4 7 4 0 5 2 9 c h e n gyy ，w y a n tj c a p p l o p t ，19 8 5 ，2 4 ( 6 ) ：8 0 4 8 0 7 1 0 張奇志單層s i n x 衰減型相移掩膜研究四川大學(xué)博士論文，2 0 0 1 ：9 3 1 1 3 1 1 c i s n e r o sj 工a p p l o p t ，1 9 9 8 ，3 7 ( 2 2 ) ：5 2 6 2 5 2 7 0 1 2 a q i l i a k s ，m a q s o o d a a p p l ：o p t ，2 0 0 2 ，4 1 ( 1 ) ：2 1 8 2 1 4 1 3 劉細(xì)成，王植恒，廖清君等用透射光譜和模擬退火算法確定薄膜光學(xué)常數(shù)激光技 術(shù)，2 0 0 3 ，2 7 ( 2 ) 1 4 楊鵬，靜志凌，徐雷反射干涉光譜法測(cè)量固體薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度光譜學(xué)與光譜 分析，2 0 0 0 ，2 0 ( 3 ) ：2 8 3 - 2 8 5 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章相關(guān)原理和理論基礎(chǔ) 由于本論文主要的研究?jī)?nèi)容是運(yùn)用光譜測(cè)量技術(shù)，對(duì)光學(xué)零件的折射率，透射率以 及光源的相對(duì)輻射和色溫進(jìn)行快速實(shí)時(shí)測(cè)量，本章將對(duì)相關(guān)的原理和理論基礎(chǔ)作一些介 紹。 2 1光學(xué)零件反射、透射測(cè)量原理 光照到光學(xué)零件上，一部分光能被元件表面反射，另一部份被零件本身吸收，剩下 的部分透過(guò)光學(xué)零件?？梢杂靡韵聝蓚€(gè)量來(lái)描述光學(xué)零件反射、透過(guò)光能的情況。 如果照射到光學(xué)零件上的光通量為m o ，反射光通量為西。，透射光通量為m 。，則定 義： p ：車為光學(xué)零件的反射系數(shù)，也稱反射率； f ：立為光學(xué)零件的透射系數(shù)，也稱透射率。 弼 不同的光學(xué)零件，它們的反射系數(shù)的差別很懸殊。例如，一個(gè)玻璃表面對(duì)垂直入射 光的系數(shù)約為4 左右，而鍍?cè)鐾改さ墓鈱W(xué)零件反射系數(shù)僅有百分之零點(diǎn)幾。另外一些 零件，如激光用全反射膜的反射系數(shù)可達(dá)9 9 9 以上。測(cè)量差別如此大的光學(xué)零件反射 系數(shù)，其方法相應(yīng)也有所差別。即使同一類的光學(xué)零件測(cè)量，也有多種方法。這里只介 紹典型通用的方法峨 如前所述，要測(cè)量反射系數(shù)，實(shí)際上是測(cè)量從零件鍍膜表面上反射的光通量吼和入 射到零件鍍膜表面上的光通量m o 之比值。測(cè)量入射、反射光光通量相對(duì)大小的裝置如圖 2 - 1 所示。光源通過(guò)聚光鏡入射到平行光管，從平行光管射出一束平行光。整個(gè)光源和 平行光管固定在一個(gè)圓平臺(tái)上。整個(gè)接收系統(tǒng)可沿平臺(tái)邊緣繞垂直于平臺(tái)的軸線在水平 平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。平臺(tái)上無(wú)待測(cè)樣品時(shí)，則從平行光管射出的平行光束直接進(jìn)入接受系統(tǒng)， 接受到的光通量o o ，當(dāng)平臺(tái)上放置樣品后，接受器旋轉(zhuǎn)到b ，正好接收到從樣品上反 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 射的光通量幣。，因此按照反射系數(shù)定義即可得到。 光 圖2 - 1鍍膜表面反射系數(shù)測(cè)量裝置筒圖 上述測(cè)量裝置，也可用于測(cè)量透射率。接受器的位置位于位置b 時(shí)，就可以測(cè)得透 射率。 對(duì)于反射率較低的樣品表面，用上述方法測(cè)量時(shí)精度較低，例如測(cè)量玻璃表面反射 系數(shù)時(shí)大約為4 。這時(shí)可用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)反射系數(shù)的樣品進(jìn)行比較。標(biāo)準(zhǔn)樣品一般可以用 穩(wěn)定性高的k 玻璃制成，它一面拋光，另一面磨毛鍍黑，只有一個(gè)反射面。 2 2 光度學(xué)基本理論 我們知道物理輻射作用在觀察者的視覺(jué)器官上便產(chǎn)生光的感覺(jué)，而人眼特殊的視覺(jué) 特性，使得輻射源客觀上發(fā)射出的輻射能的大小，并不等于人的視覺(jué)系統(tǒng)主觀上感受到 的那部分光輻射能的強(qiáng)度。光輻射能包括紫外輻射、可見光和紅外輻射的全部輻射能量， 而人眼不僅把看不見的紫外輻射和紅外輻射都排除在外，而且在數(shù)量上，人眼感受到的 光輻射能也并不等于看得見的那部分光輻射( 可見光) 的實(shí)際能量值。 因此，在光輻射測(cè)量中，與能量有關(guān)的量分為兩類【2 】：一是物理的，即客觀的，叫 做輻射度學(xué)量，簡(jiǎn)稱輻射量；另一類是生理的，即主觀的，叫做光度學(xué)量。后者即是光 度學(xué)的研究范圍，它把輻射量與人眼的視覺(jué)特性( c 標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者) 相聯(lián)系而被評(píng) 價(jià)。 本節(jié)將簡(jiǎn)單介紹光度學(xué)中的基本量及其常用測(cè)量方法。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 1 光度學(xué)中的基本量 1 光量 光量，顧名思義，光的數(shù)量，它定義為光通量和照射時(shí)間的乘積 符號(hào)為l m s ，表達(dá)式如式( 2 - - 1 ) ： q 。= 肛o 如 下標(biāo)v 表示，它是一個(gè)光度學(xué)量，與輻射學(xué)量區(qū)別。 2 光通量 單位：流明秒 ( 2 1 ) 光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量稱為光通量，表示光源表面的客觀輻射通量對(duì)人眼所 起的視覺(jué)強(qiáng)度，即，是能被人眼視覺(jué)系統(tǒng)所感受到的那部分輻射功率的大小的度量，光 通量單位流明( 1 u m e n ) ，符號(hào)為1 m ，表達(dá)式如下： 。d q v 仉2 i ( 2 2 ) 光通量是檢驗(yàn)電光源產(chǎn)品的重要指標(biāo)，光效則是衡量電光源節(jié)能性能的關(guān)鍵參數(shù)。 光通量通常是將被測(cè)燈與已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈在積分球內(nèi)做比較測(cè)量；或用分布光度計(jì) 測(cè)空間各方向的光強(qiáng)分布，在計(jì)算光通量， 3 光通量密度 某一點(diǎn)的光通量密度定義為包含該點(diǎn)的面元上的光通量除以該面元面積，即： d 丸 d s ( 2 3 ) 光通量密度有出射度m ，和光照度e ，之分：前者是描寫面光源向外發(fā)出的光度特性， 單位為流明每平方米( 1 m m 2 ) ；后者則是描述光接收面的接收光度特性，單位為勒克斯 ( 1 u x ) ，符號(hào)為l x 。 4 發(fā)光強(qiáng)度 光源在指定方向上的一個(gè)很小的立體角元d q 內(nèi)所包含的光通量d 痧值，除以這個(gè)立 體角元，所得的商定義為光源在此方向上的發(fā)光強(qiáng)度： 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 ，d 。 1 v2 面 ( 2 4 ) 單位是坎德拉( e a n d e l a ) ，符號(hào)為c d 。發(fā)光強(qiáng)度用于描述光源在某一方向上的發(fā)光 能力。 5 光亮度 光亮度用于描述光源每一單位面積在某一方向上的發(fā)光能力，即單位面積上的發(fā)光 強(qiáng)度： 扣等 ( 2 5 ) 單位為坎德拉每平方米( c d m 2 ) 。且，表達(dá)式( 2 5 ) 中的發(fā)光強(qiáng)度j 。和面元s 都 具有方向性，因而，s 應(yīng)理解為一個(gè)在觀察方向上的投影，即與立體角d q 給定的方向垂 直。 以上就是光度學(xué)研究和測(cè)量中最基本的5 個(gè)量。 2 2 2 光度基本量測(cè)量 物體的光度特性是在入射光輻射作用下必然顯現(xiàn)出來(lái)的特征，它決定了物體的亮度 和色度?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)光度量的測(cè)量分為目視光度法和物理光度法兩種。這里僅以光通 量的測(cè)量為例，做簡(jiǎn)單說(shuō)明。 光通量的測(cè)量通常有兩種方法1 3 ，4 j ：一是在積分球內(nèi)利用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測(cè) 燈作比較測(cè)量，從而定出被測(cè)燈的光通量5 】；另一種方法是用分布式光度計(jì) 6 1 測(cè)定被測(cè) 光源在空間各個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度，計(jì)算后得到光通量。前一種方法比后者簡(jiǎn)單，但測(cè) 量精度不如后者。 1 積分球法 積分球是一個(gè)球形空腔，由兩個(gè)內(nèi)壁涂以白色漫反射層( 硫酸鋇或氧化鎂) 的半球 殼組成，積分球涂層的好壞直接影響測(cè)光準(zhǔn)確性。 球內(nèi)放置光源，光源發(fā)射的光經(jīng)過(guò)球比多次漫反射后，整個(gè)球壁內(nèi)側(cè)上的照度均勻 分布，因此，在球壁上任意一個(gè)面元探測(cè)到的光通量應(yīng)正比于光源所發(fā)射的總的光通量， 浙江火學(xué)碩士學(xué)位論文 經(jīng)推導(dǎo)可得如下表達(dá)式 e ：上j l 4 n r 2 1 一p ( 2 6 ) 其中，為積分球半徑，p 為積分球內(nèi)壁涂層得漫反射比，均為常數(shù)。e 為球壁上任 意一點(diǎn)的光照度，為待測(cè)光源的光通量。 測(cè)量時(shí)，采用比較的方法，除了待測(cè)燈外，還需要一個(gè)光通量確定的光通量標(biāo)準(zhǔn)燈， 其光通量為班，先后將其放入積分球，在窗口處探測(cè)光照度，比較得待測(cè)燈光通量。 2 分布式光度計(jì)法 分布式光度計(jì)除了用來(lái)測(cè)量光通量，還可用于測(cè)定光源光強(qiáng)度得空間分布。對(duì)于大 功率的光源更適合于用分布式光度計(jì)測(cè)量其光通量。但是通常情況下，分布式光度計(jì)法 測(cè)量復(fù)雜，限于篇幅，這里不再熬述，有興趣的讀者可以參閱相關(guān)文獻(xiàn)。在滿足要求的 條件，一般采取積分球法。 2 3 色度學(xué)基本理論 色度學(xué)系統(tǒng)就是以人眼的視覺(jué)特性為基礎(chǔ)，把心理現(xiàn)象( 顏色) 和引起色感知的物 理現(xiàn)象( 光的強(qiáng)度，波長(zhǎng)等) 聯(lián)系起來(lái)，定量描述顏色的。色度學(xué)研究的就是當(dāng)輻射量 與人眼的顏色視覺(jué)特性( c i e 標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者) 相聯(lián)系而被評(píng)價(jià)時(shí)?，F(xiàn)代色度學(xué)采用c i e ( 國(guó)際照明委員會(huì)) 所規(guī)定的套顏色測(cè)量原理，數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，稱為c i e 標(biāo)準(zhǔn)色度 學(xué)系統(tǒng)7 1 。 為了定量的描述顏色，國(guó)際照明委員會(huì)先后制定了一系列定量描述顏色的色度空間， 如：c 1 e r g b 、c i e x y z 、c i e l a b 、c i e u 等色空間，并確定了c 1 e1 9 3 1x y z 顏色 空間與其它顏色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于c i e1 9 3 1x y z 色度系統(tǒng)中的c 1 e1 9 3 1 色品圖和 c i e1 9 3 1 標(biāo)準(zhǔn)觀察者光譜三刺激值是色度學(xué)的實(shí)際應(yīng)用中的常用工具，幾乎一切色度學(xué) 的計(jì)算和延伸都是由此出發(fā)的，也是實(shí)現(xiàn)顏色管理的基礎(chǔ) 8 1 ，這里對(duì)c i e1 9 3 1x y z 系統(tǒng) 做一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。 2 _ 3 1c i e1 9 3 1x y z 色度系統(tǒng) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 c i e1 9 3 1x y z 顏色空間是由r g b 顏色空間推導(dǎo)來(lái)的。x y z 色度系統(tǒng)采用比光譜色 更飽和的三個(gè)設(shè)想的原色x y z