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1、第6章 辐射测量的基本仪器 6.1 光度导轨光度导轨6.2 积分球积分球6.3 单色仪单色仪 6.3.1 棱镜单色仪棱镜单色仪 6.3.2 光栅单色仪光栅单色仪 6.3.3 使用单色仪的使用单色仪的 几个问题几个问题6.4 分光光度计和光谱分光光度计和光谱 辐射计辐射计6.5 傅立叶变换光谱辐傅立叶变换光谱辐 射计射计6.3.2 光栅单色仪 单色仪的构思萌芽可追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和窗口的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱
2、仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。6.3.2 光栅单色仪 参数参数n光栅的角色散光栅的角色散n线色散线色散 n光谱分辨率光谱分辨率 6.3.2 光栅单色仪 b是光栅相邻刻线之间的距离;N是每毫米光栅的刻线数6.3.2 光栅单色仪 6.3.2 光栅单色仪 每个刻痕的断面都相当于一个小反射镜，把光线反射到预定的方向上，就能使衍射的大部分光能量集中在所需要的某一光谱
3、级次的波段范围内。具有这种特性的光栅称为定向光栅或炫耀光栅。炫耀光栅的放大截面图如图6-18，是刻槽的法线和光栅平面法线的夹角(炫耀角)，s是狭缝宽，b是光栅刻线之间间隔。单缝光栅多缝光栅可以看到，单缝衍射的零级位置不一定是多缝衍射的零极在位置。适当选择炫耀角，可以使当sini-sin=0时，(6-20)式不为零，波长为的光能都集中在第m级光谱上，且由于b近似等于s，其它级光谱的能量相当少(图6-19)。与炫耀角 对应的在m级光谱能量有最大值的波长称为炫耀波长，记为B。6.3.2 光栅单色仪 图6-19 炫耀光栅中的光谱能量分布 光栅中光谱不重叠区域叫自由光谱范围。由m(+)=(m+1)得自由
4、光谱区 炫耀波长B处能量最大。若规定能量下降到炫耀波长处能量的一半时对应两侧的为可用光谱区，则对于第m级炫耀光谱，光谱区的min和max分别为m m=1=1引入波数概念：(cm-1)则例例1：要测量0.41.1m谱段的辐射通量，应选什么样的光栅参数？解：解：选m=1，则而0.4m和1.1m的波数分别为25000cm-1和9090cm-1，则 cm-1，m cm-1，m cm-1，m。即选择炫耀波长为0.5867m时，在工作谱段内，都能有较大的输出辐射通量。选光栅N=600线/mm，则b=1/N=1.667m/线,2sin=B/b=0.3519,光栅刻线倾角=108。6.3.2 光栅单色仪 B=
5、550 nm,B=18181.8 cm-1max=27272.7 cm-1,min=366.7 nm,min=9090.9 cm-1,max=1100 nm,为为消消除除光光谱谱级级间间的的重重叠叠常常常常使使用用分分级级元元件件(如如滤滤光光片片、附附加加棱棱镜镜等等)。例例如如,m=1m=1及及=0.4=0.4 mm，只只有有0.4 0.4 0.80.8 mm为为自自由由光光谱谱范范围围，在在0.81.10.81.1 mm区区出出现现一一、二二级级光光谱谱重重叠叠的的现现象象。为为此此，测测量量时时在在光光路路中中(图图6-20)6-20)先先插插入入以以0.40.4 mm为为截截止止波波
6、长长的的长长波波透透滤滤光光片片。转转动动光光栅栅，在在出出射射狭狭缝缝处处可可得得明明亮亮的的0.4 0.4 0.750.75 mm的单色光，这时再将的单色光，这时再将0.40.4 mm的长波透射滤光片拿去，的长波透射滤光片拿去，6.3.2 光栅单色仪 更更换换一一块块0.70.7 mm左左右右的的长长波波透透滤滤光光片片，则则单单色色仪仪的的自自由由光光谱谱范范围围为为0.71.4 0.71.4 mm。转转动动光光栅栅可可在在出出射射狭狭缝缝处处得得到到0.75 0.75 1.11.1 mm的的单单色色光光。图图6-216-21表表示示加加入入滤滤光光片片后后1-31-3级级谱谱的相对位置
7、。的相对位置。例例例例2 2 用用单单色色仪仪得得到到光光谱谱范范围围为为0.6140.614 mm的的单单色色光光，求求所所需需光栅块数及它们的光栅参数。光栅块数及它们的光栅参数。6.3.2 光栅单色仪 波长(m)minBmax第一块光栅0.60.91.8第二块光栅1.82.75.4第三块光栅5.48.116.2 为消除光谱级的重叠，采用加滤光片的方法。为消除光谱级的重叠，采用加滤光片的方法。第一块光栅选第一块光栅选N N1 1=500=500线线/mm,/mm,故故b b=2=2 m/m/线线 若用光栅炫耀角若用光栅炫耀角 相同的第二、三块光栅，则它们的光栅参数为相同的第二、三块光栅，则它
8、们的光栅参数为 m/m/线线,N N2 2=167=167线线/mm/mm m/m/线线,N N3 3=56=56线线/mm/mm 先先由由满满足足一一定定输输出出能能量量且且不不致致于于损损失失过过大大出出发发，由由(6-23)(6-23)式式确确定定用用一一级级谱谱时时所所需需的的光光栅栅块块数数及及其可用光谱区如表所示。其可用光谱区如表所示。u光源u探测器6.3.2 光栅单色仪 光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光
9、。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。6.3.2 光栅单色仪 6.3.2 光栅单色仪 6.3.3 使用单色仪的几个问题n入射狭缝像的弯曲入射狭缝像的弯曲 6.3.3 使用单色仪的几个问题n入射狭缝像的弯曲入射狭缝像的弯曲 n若使出射狭缝和入射狭缝等宽，则出射狭缝上的光谱辐亮度不均匀。当要求出射狭缝光谱辐亮度均匀时，出射狭缝应开得比入射狭缝窄(如图6-20中A-A限定的宽度)。n有些单色仪的入射狭缝本身做成弯曲的形状，其目的也是使入射狭缝像和出射狭缝重合。6.3.3 使用单色仪的几个问题n杂散光的影响杂散光的影响 n单色仪不可避免地会有内部反射及由于色散元件等表面上的灰尘、光学零件
10、缺陷等造成的散射，使一部分光能不经色散元件而投射在出射狭缝上；色散元件表面的不平，刻线宽度周期性变化等，都会使一部分其它波长的光能散射到出射狭缝上。图6-23画出了一种单色仪的理想光谱透射及其实测曲线。n用双单色仪可大大提高出射光谱的纯度。图6-24 给出的双单色仪是两个单色仪的串接，第一单色仪的出射狭缝是第二单色仪的入射狭缝，于是散射到第一单色仪出射狭缝的非工作波长的光能在经过第二单色仪时，被色散元件偏向第二出射狭缝以外的位置，从而提高了出射光光谱的纯度。n使用相同系统的双单色仪，其光谱分辨率可提高一倍，只是光能经过两级单色仪后，损失增大，故使用时光源应足够强。6.3.3 使用单色仪的几个问
11、题n波长的标定波长的标定n单色仪经过一段时间的使用，由于温度影响、机械结构松动、固有的结构间隙等，使得单色仪的波长刻度往往与实际出射光的波长不能准确地吻合，定期进行波长标定十分必要。n红外单色仪波长标定的过程大致相同，常用已知波长的线光谱灯或一些吸收谱线作为标定源。在近红外、中红外、远红外还用氧化钬等玻璃、聚乙烯或大气水气、二氧化碳等吸收谱线作为标定波长，激光光源也是很好的标定光源。n标定可见谱段的波长时，由于一般谱线较亮，狭缝应尽可能窄(如0.1mm)。6.3.3 使用单色仪的几个问题n温度对测量的影响温度对测量的影响n温度使材料的折射率发生变化，故仪器工作所在环温度使材料的折射率发生变化，
12、故仪器工作所在环境温度的变化应控制在土境温度的变化应控制在土10 C以内。尤其是红外以内。尤其是红外分光棱镜，色散小，光谱分辨率低，温度变化引起分光棱镜，色散小，光谱分辨率低，温度变化引起的波长装定误差就更大。的波长装定误差就更大。6.4 分光光度计和光谱辐射计 在光辐射测量中，分光光度计主要用于测量材料光谱反射比或光谱透射比。典型的系统有：n双光束光学自动平衡系统(Optical null system)n双光束电学平衡系统(Electrical ratio-recording system)6.4 分光光度计和光谱辐射计 美国通用电器公司生产的一种由双单色仪系统和工作在零读数下的偏光光度计
13、组成的分光光度计的结构图。6.4 分光光度计和光谱辐射计 6.4 分光光度计和光谱辐射计 6.4 分光光度计和光谱辐射计 6.4 分光光度计和光谱辐射计 用以测量光源光谱辐射度量的仪器叫光谱辐射计，其基本由比较光路、单色仪和探测显示系统组成。图6-27是贝克曼DK-2R分光辐射计的结构原理图，标准光源和待测光源分别放在两个灯室中，它们发出的光分别经过一石英漫射器(注意：球只是用于固定漫射器，其本身不是积分球)，再经反射镜照在摆动反射镜上；摆动反射镜交替地将来自标准/待测光源的光能引入单色仪；在单色仪的出射狭缝处安装探测器，探测器输出信号的大小与待测光源和标准光源光谱辐强度之比成正比。仪器测量精
14、度在3以内。图6-27 贝克曼DK-2R光谱辐射计 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 随着光谱技术应用领域的迅速扩大，各种光谱仪器得到越来越广泛的应用。提高光谱分辨率常受到光谱谱段变窄使光谱信号减弱、测量时间增长等的限制，增加精细光谱测量的困难。尤其是红外谱段，近十多年来发展起来的傅里叶变换光谱辐射计(简记作FT辐射计)、哈达玛变换光谱仪等，以光谱分辨率高、信噪比大、测量时间短等一系列优点得到日益广泛的应用。新型光电探测器、信号处理技术以及计算机技术的发展，使傅立叶光谱仪器的应用前景更为广阔，不仅在实验室，而且被广泛用于航空航天的光谱测量仪器。6.5 傅立叶变换光谱辐射计 M1 M2 BS IRS
15、 F C D 准直镜 聚光镜 迈克尔逊干涉仪示意 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 干涉图函数为：光源的光谱强度分布为：连续改变干涉仪的光程差，利用光电元件可以记录干涉仪中射出的可变光辐射通量，得出干涉图函数。对干涉图作傅立叶余弦变换，就可得到任何波数的辐射光强度。6.5 傅立叶变换光谱辐射计傅立叶变换光谱仪的分辨本领：如果干涉装置所能达到的最大光程差为xm，则傅立叶变换光谱仪的分辨本领即最小刚能分辨的两谱线的波数差应为=1/2xm当光源不是理想的点光源时，极限分辨率与光源对仪器所张立体角有关。6.5 傅立叶变换光谱辐射计傅立叶变换光谱仪
16、的优点：n多路优点（Fellgett优点）n辐射通量大的优点n波数示数精度高（Connes优点）n杂散光低傅立叶变换光谱仪的优点傅立叶变换光谱仪的优点：傅立叶变换光谱仪的优点：6.5 傅立叶变换光谱辐射计 光谱分光技术光谱分光技术n傅立叶光谱技术机械旋转法角镜干涉仪直角反射镜光谱分光技术光谱分光技术n傅立叶光谱技术扭摆式干涉仪光谱分光技术光谱分光技术n傅立叶光谱技术楔式干涉仪光谱分光技术发展方向光谱分光技术发展方向n色散元件光谱分光技术发展方向光谱分光技术发展方向n无动镜FT光谱仪习题与思考题6.5 傅立叶变换光谱辐射计 地物辐射 TRANSEPT-III干涉仪 移动棱镜 固定镜 固定镜 前置光 学系统 大气介质 红外探测器 6.5 傅立叶变换光谱辐射计6.5 傅立叶变换光谱辐射计 Sagnac Spectral-imager测量滤光片选择参比滤光片选择滤光片分光式光谱分析仪GFC法气体分析仪