代彩紅， 王彥飛， 吳志峰， 李 玲

(中國計量科學(xué)研究院 光學(xué)與激光計量科學(xué)研究所，北京 100029)

1 引 言

光譜輻射亮度是光學(xué)領(lǐng)域的重要基本物理量之一，廣泛應(yīng)用于氣候變化、對月觀測、對地觀測、航空航天、海洋水色、光輻射安全等領(lǐng)域[1～5]。

為光譜輻射亮度測量提供最高量值溯源標準的我國的光譜輻射亮度基準裝置建于1975年，分別于1989年、2000年完成了第1次和第2次基準裝置的能力提升，2011年建立了基于BB3500 M高溫黑體輻射源的第四代光譜輻射亮度國家基準裝置，波長范圍擴展至220～2 550 nm，測量不確定度得到較大改善。

歷史上共有兩次光譜輻射亮度國際比對。1989～1990年，美國國家標準與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)和俄羅斯全俄光學(xué)物理計量院(All-Russian Research Institute for Optical and Physical Measurements，VNIIOFI)進行了240～2 400 nm的光譜輻射亮度雙邊比對。在240～800 nm，兩院的發(fā)散為0.5～1%，在900～2 400 nm，兩院的發(fā)散小于0.5%[6]。

1999年，國際計量局組織了光譜輻射亮度國際輔助比對CCPR-S1。俄羅斯VNIIOFI為主導(dǎo)實驗室，法國計量院(Bureau National de Métrologie/Institut National de Métrologie，BNM-INM)、美國NIST、加拿大計量院(National Research Council of Canada，NRC)和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB)參加了比對。2008年7月發(fā)布比對最終報告。VNIIOFI、NIST和PTB參加了 220～2 500 nm全波長范圍的比對，BNM-INM和NRC分別參加了300～2 500 nm和400～800 nm波長范圍的比對。在220～400 nm波長范圍，VNIIOFI、NIST和PTB與國際參考值的平均相對偏差分別為0.30%、0.23%和0.34%。在300～2 500 nm 波長范圍，VNIIOFI、NIST、PTB和BNM-INM與國際參考值的平均相對偏差分別為0.35%、0.61%、0.52%和1.30%。NRC在400～800 nm波長范圍與國際參考值的平均相對偏差為0.70%[7]。

采用新基準裝置，中國計量科學(xué)研究院(National Institute of Metrology，NIM)參加了第3次光譜輻射亮度國際比對APMP-PR.S6[8]。比對由韓國標準科學(xué)研究院(Korea Research Institute of Standards and Science，KRISS)主導(dǎo)，中國NIM和俄羅斯VNIIOFI參加了比對。采用3支穩(wěn)定的鎢帶燈作為比對樣品，波長范圍為250～2 500 nm。比對實驗開始于2013年，2016年6月結(jié)束，2017年發(fā)布了比對結(jié)果B稿。

2 光譜輻射亮度比對裝置

NIM的光譜輻射亮度比對裝置的原理示意圖見圖1所示，主要由高溫黑體輻射源、溫度測量裝置、入射光學(xué)系統(tǒng)、光譜比較測量系統(tǒng)、驅(qū)動和信號采集系統(tǒng)、光路準直系統(tǒng)、標準燈裝調(diào)平臺、電測系統(tǒng)等組成[9～12]。

圖1 光譜輻射亮度比對裝置原理示意圖Fig.1 Principle figure of the comparison apparatus of spectral radiance

黑體輻射源BB3500M的最高工作溫度3 500 K，發(fā)射率優(yōu)于0.999 5，輻射腔體由48個高溫?zé)峤馐h(huán)組成，鋸齒型腔底結(jié)構(gòu)設(shè)計確保溫度均勻性和溫度穩(wěn)定性。在3 016 K黑體的溫度不穩(wěn)定性小于±0.20 K/h，2922 K和2 748 K的腔底的溫度不均勻性分別為0.17 K和0.10 K。采用LP4型光電高溫計測量黑體的溫度，測量不確定度0.64 K(k=1)，溫度測量溯源至NIM熱工所的Pt-C和Re-C固定點黑體。在3 021 K，采用WC-C共晶點黑體驗證高溫計的示值，NIM和VNIIOFI在此溫度點的一致性優(yōu)于70 mK。

入射光學(xué)系統(tǒng)將來自高溫黑體腔底的等溫輻射以固定倍率成像至單色儀入射狹縫，經(jīng)雙光柵單色儀分光，測量黑體的光譜輻射亮度信號Vλ,B。根據(jù)公式(1)計算黑體的光譜輻射亮度Lλ,B。

(1)

移動實驗平臺，測量比對鎢帶燈的光譜輻射亮度信號Vλ,L，根據(jù)公式(2)計算比對燈的光譜輻射亮度Lλ,L。完成比對燈的光譜輻射亮度量值復(fù)現(xiàn)。

Lλ,L=Vλ,L·Lλ,B/Vλ,B

(2)

在250～400 nm波長范圍，采用光電倍增管R3896作為探測器；在380～1 100 nm波長范圍，使用Si 探測器；在800～2 500 nm波長范圍，使用熱電制冷型InGaAs探測器(-85 ℃)。為消除環(huán)境雜光的影響，在紅外波長范圍使用斬波器和鎖相放大器，調(diào)制頻率 226 Hz。

采用雙光柵單色儀M207D作為基準裝置的分光儀器。焦距0.67 m，焦距與成像系統(tǒng)的直徑比值為5.8，色散0.83～2.48 nm/mm?？叹€為1 800 刻線/mm，1 200 刻線/mm，600 刻線/mm 的3對光柵分別用于紫外、可見和近紅外波長范圍。采用380 nm，700 nm、800 nm、1 400 nm和2 000 nm二級光譜截止濾光片濾除多級光譜。測量時入射、中間和出射狹縫的寬度分別為3.5 mm、4.0 mm、3.5 mm，光譜帶寬變化范圍為2.91～8.68 mm。

每次更換光柵后，需采用低壓汞燈重新校準并修正單色儀的波長。得到實測峰值和特征譜線的對應(yīng)關(guān)系。采用三階多項式對波長誤差進行曲線擬合，得到波長范圍內(nèi)任意波長點的修正值。修正后在紫外、可見和近紅外波長范圍，波長的最大誤差分別為：0.04 nm、0.03 nm和0.09 nm。

采用兩組不同的入射光學(xué)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)光譜輻射亮度量值。在入射光學(xué)系統(tǒng)前設(shè)置一個黑色光闌，精確限制鎢帶燈和黑體腔底的采樣面積寬(高為 0.6 mm×0.8 mm，符合比對的測量條件。

第一組入射光學(xué)系統(tǒng)由球形凹面鏡和一個平面反射鏡組成，成縮小像，物像比例為1:0.58，立體角為0.006 sr，成像示意圖見圖2。

圖2 第一組入射光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 The first entrance system

第二組入射光學(xué)系統(tǒng)由球形凹面鏡和兩個平面反射鏡組成，物像比例為1:1，立體角為0.008 sr，成像示意圖見圖3。在220～2 550 nm 波長范圍，采用兩套入射光學(xué)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)光譜輻射亮度的相對偏差小于±0.40%。

圖3 第二組入射光學(xué)系統(tǒng)Fig.3 The second entrance system

3 測量不確定評定

光譜輻射亮度量值復(fù)現(xiàn)的不確定度來源包括：黑體/燈信號比的測量重復(fù)性、燈位置調(diào)整、黑體的溫度測量、黑體腔底的非均勻性、黑體的不穩(wěn)定性、SSE輻射源面積效應(yīng)、測量系統(tǒng)非線性、燈電流、波長和偏振[4]。測量不確定度評定結(jié)果見表1。

4 比對結(jié)果

APMP-PR.S6比對樣品采用3支穩(wěn)定的鎢帶燈，型號均為TRU 1100-2350，鎢帶寬2.8 mm，高 20 mm。比對傳遞標準燈的幾何結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。定位金屬指針指向鎢帶中心位置，在鎢帶燈后面的玻殼上有一個圓形標記點。調(diào)整鎢帶燈的六維幾何位置，確保光軸通過指針末端和后玻殼上的標記點中心。水平移動鎢帶燈，使光軸通過鎢帶中心。

圖4 國際比對傳遞標準燈的幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural figure the transfer standard lamp of international comparison

表1 光譜輻射亮度測量不確定度評定Tab.1 Measurement uncertainty analysis of spectral radiance (%)

比對技術(shù)草案規(guī)定了光譜輻射亮度的測量條件：鎢帶的采樣面積為0.6 mm×0.8 mm，成像系統(tǒng)的立體角為0.008 sr。各參比實驗室應(yīng)基于高溫黑體輻射源獨立復(fù)現(xiàn)光譜輻射亮度量值。比對順序為：KRISS→VNIIOFI→KRISS→NIM→KRISS。

2017年公布光譜輻射亮度國際比對APMP-PR.S6結(jié)果的B稿，見文獻[8]。

表2為光譜輻射亮度比對結(jié)果，列出了各參比實驗室與比對參考值的相對偏離以及各自聲稱的測量不確定度。

表2 光譜輻射亮度比對結(jié)果APMP-PR.S6Tab.2 Comparison result of international comparison of spectral radiance APMP-PR.S6 (%)

圖5為3個實驗室與國際參考值的相對偏差。光譜輻射亮度國際比對APMP-PR.S6的結(jié)果表明：在紫外、可見和近紅外波長范圍，NIM與國際參考值的平均相對偏差分別為0.59%，0.44%和0.34%。在250～2 500 nm波長范圍，平均相對偏差為0.46%。除250 nm波長外，均在測量不確定度范圍內(nèi)。

圖5 光譜輻射亮度國際比對APMP-PR.S6結(jié)果Fig.5 Comparison result of international comparison of spectral radiance APMP-PR.S6

5 結(jié) 論

采用新研制的第四代光譜輻射亮度國家基準裝置，NIM參加了光譜輻射亮度國際比對APMP-PR.S6。研制的兩套入射光學(xué)系統(tǒng)參加比對，成像倍率分別為0.58和1.00，立體角為0.006 sr和0.008 sr。兩套系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)光譜輻射亮度量值之間的差異小于±0.40%。光譜輻射亮度國際比對結(jié)果表明：在紫外、可見和近紅外波長范圍，NIM的與比對參考值的平均相對偏差分別為0.59%、0.44%和0.34%。全波長范圍內(nèi)的平均相對偏差為0.46%。

每個參比實驗室與國際參考值的偏差除1～2個波長點外，均在自己的測量不確定度范圍內(nèi)。在1 550 nm和1 700 nm波長，主導(dǎo)實驗室KRISS與國際參考值的偏差為0.89%和1.04%，超出了測量不確定度0.77%和0.83%；在250 nm波長，NIM與國際參考值的偏離為2.10%，超出了測量不確定度1.68%。在800 nm和900 nm波長，VNIIOFI與國際參考值的偏差為0.55%和0.52%，超出了測量不確定度0.52%和0.49%。

2017年，第四代光譜輻射亮度國家基準裝置通過國內(nèi)外同行專家考評，獲得國家資格確認，頒發(fā)新基準證書。在250 nm短波紫外波長，NIM將進一步提升基準裝置的測量信噪比，提升與國際參考值之間的一致性。