380～780 nm总光谱辐射通量 量值导出及不确定度评定

赵伟强， 刘 慧， 刘 建

(中国计量科学研究院， 北京 100029)

1 引 言

380～780 nm总光谱辐射通量是描述照明或显示光源的基本技术指标之一，也是评价发光光源优劣的标准之一。测量光源的该量值可以导出光源的光度量值(如总通量)及色度量值(如相关色温、色品坐标和显色指数)等。

带有光谱辐射计的新型球形光度计的量值传递和溯源需要使用总光谱辐射通量标准灯。目前，带有光谱辐射计的新型球形光度计已被光学计量测试机构广泛使用。特别是用于测量非A光源(例如LED，节能灯)情况下，无需进行光度探测器的光谱光视效率函数失配修正，相对于传统的用球形光度计硅探头具有一定优势[1]。目前，进口的球形光度计普遍采用总光谱辐射通量标准灯进行定标，国内厂家所生产的带光谱辐射计的球形光度计也逐渐采用这种定标方式。

总光谱辐射通量量值需要溯源至国家光度和辐射度的基准[2, 3]，国际上部分国家计量研究机构已完成了该项有关研究工作[4～7]。中国计量科学研究院也开展了相关方面的研究，导出了380～780 nm总光谱辐射通量量值并保持在标准灯上，对量值进行了相应的不确定度评定。

2 总光谱辐射通量量值导出的基本原理

2.1 量值导出的基本过程

总光谱辐射通量量值导出主要依据总光通量值和光谱辐射强度相对分布，分别溯源至总光通量国家基准和光谱辐射度国家基准。量值导出过程分成为以下3步：

第1步：使用总光通量国家基准或者工作标准标定待测标准灯的总光通量值Φv。

第2步：使用变角辐射计测量待测标准灯的光谱辐射强度相对分布Ir,eλ(λ,θ,φ)，并积分计算出光谱辐射通量相对值Φr,eλ(λ)。使用总光谱辐射通量相对值而非绝对量值，是为了确保总光谱辐射通量值，结合光谱光视效率函数V(λ)所计算出的总光通量，溯源至总光通量国家基准。

第3步：结合上述两步的结果计算导出总光谱辐射通量量值Φeλ(λ)。

2.2 量值导出的基本原理和操作步骤

(1)在规定的驱动电流下，测量光源的总光通量值Φv，具体参照总光通量国家基准操作规范或者JJG 247 总光通量标准白炽灯检定规程。

(2)使用变角辐射计测量光源在全空间不同角度位置上的光谱辐射强度相对分布，并积分计算得到总光谱辐射通量相对值。变角辐射计的基本原理见图1。

图1 变角辐射计的基本原理

光谱辐射计采用原位方式进行定标。把安装有光谱辐射计的采集探头的旋臂旋转至水平位置，并把光谱辐射照度标准灯放置在旋转中心并保持正确的定标姿态。接通灯电流并等待灯稳定后，通过光谱辐射计进行数据采集并计算出光谱定标系数。

光谱辐射计定标后，将待测标准灯安装在变角辐射计的旋转中心位置。运行变角辐射计的控制程序，使用光谱辐射计测量光源在(θ,φ)角处的光谱辐射照度值Eeλ(λ,θ,φ)。在完整测量全空间上的光谱辐射照度值后，导出总光谱辐射通量相对量值的计算式为：

(1)

式中:r是光源中心到虚拟球面的距离。

(3) 结合上述两个步骤的测量结果Φv和Φr,eλ(λ)，计算出光源的总光谱辐射通量值Φeλ(λ)。计算式为：

Φeλ(λ)=ks·Φr,eλ(λ)=

(2)

式中:

ks是修正因子，确保通过总光谱辐射通量值计算出的总光通量值，与总光通量基准或标准装置的测量值一致；Ir,eλ,s(λ)是定标光谱辐射计用的光谱辐射度标准灯的光谱辐射强度相对值，其可溯源至高温黑体光谱辐射度国家基准；Rr,eλ,s(λ)是变角辐射计定标时，光谱辐射计测量光谱辐射照度标准灯的光谱辐照强度的相对读数值；Rr,eλ(λ,θ,φ)是光谱辐射计测量光源(θ,φ)角处的光谱辐射强度的相对读数值；Km是光谱光视效能最大值，为683 lm/W。

3 不确定度评定与分析

根据公式(2)对影响不确定度的因素进行分析，主要影响因素包括总光通量值、光谱辐射标准灯、光谱辐射计自身特性、变角辐射计(机械部分)和测量系统重复性等5项。需要注意的是，由于不同波长位置的变角辐射计响应特性是相互有区别的，下面以380 nm波长位置为例简单叙述不确定度评定的过程，其他波长可以此类推。

3.1 总光通量值的影响

总光通量值的影响可参考总光通量量值标定的基准或者工作标准的不确定度值。被测灯是采用工作标准装置测量总光通量值。查阅相应装置的技术资料，可得u1=0.5%。

3.2 光谱辐射度标准灯的影响

光谱辐射度标准灯用于标定光谱辐射计的光谱响应，可分为3项。

①光谱灯相对光谱辐射照度。本文中光谱辐射标准灯的不确定度是u21=0.5%。

②光谱标准灯姿态对定标系数的影响。通过实验测试，标准灯俯仰调整± 5°或者左右旋转± 5°，光谱形状变化不超过0.1%，采用梯形分布假设，可得u22=0.05%。

③电源波动的影响。根据电源的等级以及经验，灯光谱形状变化不超过0.02%，采用梯形分布假设，可得u23=0.01%。

3.3 光谱辐射计自身特性影响

光谱辐射计自身特性影响除了定标系数，还有自身因素的影响，可分为5项。

①波长位置重复偏差的影响。实验测量光谱仪的波长重复性实验标准差，乘灵敏度系数，即该波长位置上被测光源的光谱斜率，可得u31=0.07%。

②非线性的影响。实验采用光学导轨法测量光谱法辐射计的非线性，可得u32=0.15%。

③内部杂散光的影响。参考文献[8]中实验数值，使用500 nm的长波滤色片验证，采用梯形分布假设，计算得u33=1.4%。

④光谱辐射计的稳定性。根据经验可得u34=0.15%。

⑤光纤的扭曲引入的光谱变化，根据实验测定和经验计算，可得u35=0.27%。

3.4 变角辐射计机械部分的影响

变角辐射计机械部分的影响可分为4项。

①杂散光。采用遮挡光源的方法评估其值不超过0.01%，可得u41=0.01%。

②变角辐射计的编码器角度不准引起的偏差。由于被标定的灯是白炽灯，角度稍许偏离对光谱形状影响不大，故根据经验可得u42=0.01%。

③变角辐射计的采样方法引起的偏差[9]。本文中光源自转角度(经度)间隔是15°，旋转臂(纬度)间隔是5°，根据经验认为u43=0.05%。

④被测灯的装调位置的影响。当光源稍偏离中心位置时，偏离方向上左右半球读数会相互补充，故根据经验可得u44=0.01%。

3.5 系统测量重复性

变角辐射计测量光源的相对总光谱辐射通量值的完整测量流程需耗时2～3 h。故测量一组灯，组内每支标准灯测量2次。采用极差法合并灯组实验标准差，得u5=0.54%。

同理可评定其他波长位置上导出量值的不确定度。表1列出了380～780 nm 中典型波长位置的总光谱辐射通量量值导出的不确定度。

4 小 结

研究了380～780 nm总光谱辐射通量量值导出的原理及不确定度评定。总光谱辐射通量量值导出基于测量灯的总光通量及用变角辐射计测量灯的光谱辐射强度相对分布。总光通量计量装置测量待标定标准灯的总光通量，变角辐射计测量标准灯的相对光谱辐射强度分布。对相光谱辐射强度分布积分可计算得到相对总光谱辐射通量值乘以修正因子导出总光谱辐射通量量值。修正因子由标准灯的总光通量确定。所导出的总光谱辐射通量量值保存在标准灯上，并溯源至总光通量国家基准和高温黑体光谱辐射照度国家基准。

分析了总光谱辐射通量量值导出的不确定度主要5项影响因素, 通过计算得到扩展不确定度U=3.3%～1.6%，k=2。

表1 总光谱辐射通量量值导出的不确定度值 (%)

[参考文献]

[1] 刘慧，赵伟强，刘建，等.LED 总光谱辐射通量测量技术的研究[J].计量学报，2014，35(6)：574-577.

[2] 中国计量科学研究院自动分布光度计课题组.复合式大型自动分布光度计[J].计量学报，1983，4(4)：250-255.

[3] 代彩红，吴志峰,欧阳慧泉，等.第四代光谱辐射度和色温度国家基准装置的研制[J].计量学报，2013,34(3)：201-206.

[4] Zong Y， Ohno Y. Realization of total spectral radiant flux scale and calibration service at NIST[C]//CIE. 26th Session of the CIE. Beijing, 2007, D2: 179-182.

[5] Shaw M, Goodman T. Array-based goniospectroradiometer for measurement of spectral radiant intensity and spectral total flux of light sources [J].AppliedOptics, 2008, 47(14):2637-2647.

[6] Godo K, Niwa K, Kinoshita K,etal. Realization of total spectral radiant flux scale at NMIJ with a goniophotometer/spectroradiometer[J].Metrologia, 2016,53(2):853-859.

[7] 代彩红,吴志峰,王彦飞,等.NIM和VNIIOFI光谱辐射照度双边比对[J].计量学报,2016,37(4): 347-351.

[8] Zong Y, Brown S W, Johnson B C,etal. Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers[J].AppliedOptics, 2006,45(6):1111-1119.

[9] 赵伟强，刘慧,刘建,等.采样间隔对分布光度计测量LED总光通量的影响[J].计量学报,2015,36(1)：22-25.