光谱仪光谱响应辐射量辐照度辐射亮度辐射率光栅辐射计

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1、光谱仪简介光谱仪（ Spectroscope） 是将成分复杂的 光分解为光 谱线的科学仪器，由 棱镜或 衍射 光栅等构成， 利用光谱仪 可测量物体表 面反射的光线，。阳 光中的七色 光是肉眼 能分的部分 （可见光 ），但若通过光谱仪将阳光分 解，按波长排列，可见 光只占光谱中 很小的范围，其余都是肉眼无 法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。 通过光谱仪对 光信息的抓取、以照相底片 显影，或电脑化自动显示数 值仪器显示和分 析，从而测 知物品中含有何种元素。这种 技术被广泛地应用于空气污染 、水污染、食 品卫生、金属 工业等的检测中。将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型，

2、除在 可见光波段使用的光 谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同 可分为棱镜光谱仪、光栅 光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的 分光镜，用感光片记录的 摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱 的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出 单色谱线的光 谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直,放置在透镜 L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明 狭缝S, S的像成 在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射 光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围 决定于棱镜等光学元件对光谱

3、的 吸收。普通 光学玻璃只适用于可见光波段，用 石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用 氯化钠 溴化钾和氟化钙等晶体。目前普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范 围取决于光栅条 纹的设计，可 以具有较宽的光谱范围。表征光谱仪基 本特性的参量有光谱范围、 色散率、带宽和分辨本领等。基于干涉 原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪）具有很 高的色散率 和分辨本领， 常用于光谱精细结构的分析。单色仪科技名词定义中文名称：单色仪英文名称：monochromator定义：从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。所属学科：机械工程（一级学科） ；光学仪器（二级学科） ；物理光学仪器（三

4、级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布monochromator光谱仪器中产生单色光的部件。单色仪与光谱摄谱仪的结构相似，为从宽波段的辐射束中分离出一系列狭窄波段 的电磁辐射0它以出射狭缝取代摄谱仪焦面上的感光板。有棱镜单色仪和光栅单色仪其中光栅 单色仪比较应用广泛。在科研 、生产、质控等环节。无 论是穿透吸收光 谱，还是荧 光光谱，拉曼光谱，如何获 得单波长辐射是不可缺少的手段 。由于现代单 色仪可具有很 宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001 nm ），自动波长扫 描，完整 的电脑控制功能极易与其他周边 设备融合为高性能自动测试系统 ，使用电脑 自动扫描多光

5、 栅单色仪已成为光谱研究的首选 。当一束复合光 线进入单色仪的入射狭缝 ，首先由光学准直镜汇聚成平行 光，再通 过衍射光栅色 散为分开的波长（颜色）。利用每个波长离开光栅的角度 不同，由聚焦 反射镜再成像 出射狭缝。通过电脑控制可精确 地改变出射波长。光谱响应（1）指光阴极量子效率与入射波长之间的关系 .（2）光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量地说，太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时， 每一光子平均所能收集到的载流子数。太阳电池的光谱响应又分为绝 对光谱响应和相对光谱响应。各种波长的单位辐射光能或对应的光子 入射到太阳电池上，将 产生不同的短路电流，按

6、波长的分布求得其对 应的短路电流变化曲线称为太阳电池的绝对光谱响应。如果每一波长 以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳电池上，所产生的短路 电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比 值变 化曲 线， 这就是该太阳电池的相对光谱响应。但 是，无论是绝对还是相对光谱 响应，光 谱响应曲线峰值越高，越平坦，对应电池的短路电流密度就 越大，效率也越高。(3) 太阳电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。例如：通常 红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的。由于光的颜色 (波长)不同，转变为电的比例也不同， 这种特性称为光谱响应特性。 光谱响应特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳电池

7、，测量此时 电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在 各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱响应特性。(4) 光谱响应特性与太阳电池的应用： 从太阳电池的应用角度来说 太阳电池的光谱响应特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要 的，这 样可以更充分地利用光能和提高太阳电池的光电转换效率。例 如，有 的电池在太阳光照射下能确定转换效率，但在荧光灯这样的室 内光源下就无法得到有效的光电转换。不同的太阳电池与不同的光源 的匹配程度是不一样的。而 光强和光谱的不同，会引起太阳能电池输 出的变动。辐射量科技名词定义中文名称：辐射量英文名称：radiant quantity定义：用能

8、量单位度量的与辐射有关的各种量。所属学科：机械工程（一级学科） ；光学仪器（二级学科） ；光学仪器一般名词 （三 级学科）照度科技名词定义中文名称：辐照度英文名称：irradiance定义 1：单位时间内投射到单位面积上的辐射能量。所属学科：大气科学（一级学科 ） ；大气物理学（二级学科）定义 2：物体在单位时间、单位表面上接受到的辐射能。单位为 W/m2。 所属学科：电力（一级学科） ；可再生能源（二级学科）定义 3：照射到包含所述点的无限小面元上辐射通量除以该面元的面积。所属学科：海洋科技（一级学科 ） ；海洋科学（二级学科） ；海洋物理学（三级学科）定义 4：单位时间内投射到单位面积上的

9、辐射能量。所属学科：资源科技（一级学科 ） ；气候资源学（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布辐照度（Ee , E ）是一种物理参数，是在某一指定表面上单位面 积上所接受的辐射能量。单位：瓦特 /平方米。若为投射到一平表面上的辐射通量密度，则 称为辐照度，用符号E 表示，指到达一表平面上，单位时间，单位面积上的辐射能；若是从一表平面向外发出的辐射通量密度，则称为辐射出射度，或 简称辐 出度，用符号 M 表示，指单位时间， 从单位面积上发出的辐射能。 E、 M 的单位同为瓦特平方米。辐射亮度表示面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量。辐射亮 度的 SI 单位为瓦 （ 球面

10、度 .米 2 ） 。面辐射源的辐射亮度L：辐射源在某一方向的单位投影面积在单位立体角内的辐射通量，称为辐射亮度（ Radiance ） L。单位是 W/(sr*m2) 。辐射率科技名词定义中文名称：辐射率英文名称：radiance定义：辐射源在与发射方向相垂直的单位面积上单位立体角内发出的辐射 功率。所属学科：大气科学(一级学科 ) ；大气物理学(二级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布辐射率或称辐射亮度，是描述面辐射源特性的物理量。它 表示辐 射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量，用符 号 L 表示， L 是有方向性的，单位为瓦米 2 球面度( Wm-2sr-1

11、 ) 辐射率是某物体的单位面积辐射的热量和黑体在相同温度、相同条件 下的辐射热量之比。辐 射率定义是某物体吸收或反射热量的能力。理 论上完全黑体对所有波长具有 100% 的吸收，即反射率为 0。因此，黑体的辐射率为 1.0 。辐射计测量电磁辐射量的仪器。它响应的波长范围较宽 ,包括紫外线、可见光和 红外辐射。主要应用于测量各种辐射源的辐射功率。辐射计一般包含四个基本组成部分。光学系统:以一定大小的孔径 面积收集入射的辐射功率，成像后落在探测器的敏感面积上。探测器： 使接收到的辐射量转变为可测量的信号，通常是电压信号。放大器和 记录显示装置：对探测器输出的信号予以放大、处理、显示或记录。 参考辐

12、射源和调制器：用作仪器内部的辐射基准，一般取黑体的形式。响应率 输入单位辐射量时辐射计的输出。辐射计的响应率R根 据测量参数的不同有三种定义。响应率R：入射辐射通量变化墹0与 输出信号变化墹V之比，R=墹V/墹0。响应率RE:入射光瞳上辐照 度变化墹E与输出信号变化墹V之比，只丘=墹V/墹E。响应率RL： 入射光瞳上辐亮度变化墹L （即单位面积单位立体角内的辐射通量的变 化）与输出信号变化墹V之比，RL二墹V/墹 L。辐射计的响应率确定后， 根据辐射计的输出就能获得入射的辐射量。但是，辐射量是波长、方位、 偏振和时间的函数。因此，辐射计必须考虑视场、光谱响应和时间常数 或频率响应。理想的辐射计

13、应设想为，在辐射计的视场内响应为常数， 视场以外响应为零。在光谱响应方面，在工作的波长范围内响应为常数， 在这个范围以外响应为零。时间响应也是如此。实际的辐射计都不是理 想的，可通过实测其视场和光谱响应，求得等效的理想辐射计的响应曲 线。类型 直流型：用温差电堆作接收器，时间常数约2秒,参考辐射由温差电堆的发射率和温度决定。交流涂黑调制器型：用热敏电阻 作探测器，辐射计的时间常数为 25 毫秒，其参考辐射为涂黑的调制盘。交流平面镜调制器型：探测器为热敏电阻，辐射计时间常数约为几十 毫秒，以黑体作为参考辐射源。图中为这类辐射计的结构。它的工作原 理是从被测的辐射源发射的辐射（包括可见光、红外辐射

14、等）入射至辐 射计，为光学系统所会聚，并成像在探测元件上；探测元件将入射辐射 转变为电信号，信号大小正比于输入辐射；电信号经放大处理 ,加以显示 和记录。由于探测元件的性能不同,放大器的增益等可能发生变化，所以， 辐射计内部设置一个参考黑体，其发射率是稳定的 ,温度是精确控制的, 由它提供一个参考的辐射基准。用一个与光轴成 45设置的、由电机驱 动的扇形平面镜调制器进行调制，其作用是将入射辐射与参考辐射交替 地投在探测元件上。经过处理就可将入射辐射与参考辐射相比较，获得 测量结果。定标 确定辐射计的响应率，测出输入、输出的定标曲线。定标方 法有两种：一种是用标准辐射源，另一种是用标准探测器。高

15、精度的标 准辐射源也有两类：一类是腔式黑体，腔口较小，发射率很高，使用时 将黑体放在远处，使辐射计瞄准黑体腔，并使腔口充满辐射计的视场， 改变黑体的温度，即可得不同的输入辐射和相应的辐射计输出；另一类 是面源型黑体，蜂窝结构，面较大，定标时贴近辐射计，使面源充满辐射计的入射孔径，同样可以获得定标曲线。用标准探测器进行辐射定标。标准探测器的原理是利用电加热功率增减来平衡由于入射辐射的加热。在平衡时，电加热功率即等于入射的 辐射功率。这种标准探测器常称为绝对辐射计或电定标辐射计。将辐射 计与绝对辐射计相比，也可获得定标曲线。英国国家物理实验室和美国 国家标准局都采用电定标热电辐射计作为辐射计量的标

16、准。应用 广泛用于测量目标的辐射特性，特别是军事目标的辐射特性 还可用于非接触的温度测量等。在测量点源时（即被测目标对辐射计的 张角小于辐射计的视场），首先要瞄准目标，使点源的像全部进入探测 元件。其次注意落入视场内的背景辐射。特别是在热红外波段测常温目 标时，背景辐射不可忽视。在测量面源时（即目标的张角大于辐射计的 视场）,确切确定测量部位,以便消除背景的影响。在大气中测量，还必须 研究大气吸收对辐射的影响。辐射计是最基本的辐射测量仪器。进一步扩展其功能即可改变为各种性能的辐射计。光谱辐射计：将入射红外辐射分光后，对各波长的 红外辐射分别测量辐射强度的仪器,如地物光谱仪、航空地物光谱仪等 ,

17、 可用于遥感研究。扫描辐射计：通过扫描对景物逐点逐行进行红外辐 射强度测量的仪器。多光谱扫描辐射计：通过扫描方式对景物逐点逐 行并同时用若干波段进行辐射测量的仪器（见多光谱扫描仪）。物理上的光栅原理说明光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生 色散 （分解为光谱）的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距 狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片。光 栅的狭缝数量很大 ，一般每毫米几十至几千条 。单色平行光通过光 栅每个缝的衍射和各缝间的干涉 ， 形成暗条纹很 宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条 纹称作谱线。谱线的位置 随波 长而异，当复 色光通过光 栅后，不同波 长的谱线在不 同的位置出 现

18、而形成光谱 。 光通过光栅形 成光谱是单缝衍射和多缝干涉的 共同结果。衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式（a+b）（sin sin0） = kA表示。 式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，为衍射角，0为光的入射方向与光栅平面 法线之间的夹角，k为明条纹光谱级数（k=0，1，2），入为波长，a+b称作光 栅常数。用此式可以计算光波波长。光栅 产生的条纹的特点是：明条纹 很亮很窄，相 邻明 纹间的暗区很 宽，衍射图 样十分清晰。 因而利用光栅 衍射可以精 确地测定波长 。 衍射光栅的分辨本领R=l/DI=kN。其中N为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细， 光栅分辨本领就越高。增大缝数N提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金 属丝密排地绕在两 平行细螺丝上 制成的。因形如栅栏，故名为 “光栅”。现代光栅是用精密的 刻划机在 玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅 摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。按 所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛；按其形 状又分为平面 光栅和凹面光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、炫耀光栅、 阶梯光栅等。