分光測色儀的定標及不確定度分析

分光測色儀是以光度色度學理論為基礎，對光源的色度參數進行光譜光度測量的儀器，其最基本的用途是測量光源在可見光范圍內的光譜輻射功率分布。它主要有輸入光路部件（如測光積分球、導光纖維、透鏡等）、單色儀及波長掃描驅動機構、輸出光路部件、探測器及供電電源、輸出信號處理讀數儀表等部分組成。

圖1為典型的分光測色儀結果示意圖，測光積分球內光源發出的光線，經一光學系統（如光纖或鏡頭等）輸出后，被匯聚在單色儀的入射狹縫上，徑單色儀分光后的單色光由單色儀出射狹縫上，并由光電探測器轉換為電信號，再經電路放大處理和A/D轉換將數字信號送入數字處理系統。計算機發出波長控制信號，驅動光柵掃描，實現從380nm到780nm的光譜測量。最終得到一系列波長的光譜信號，再經過數據處理系統計算，得到各種光度和色度參數。對分光測色儀的測試需要從光譜、光度、色度、雜散光等多方面考察，鑒于篇幅問題，文本將主要研究分光測色儀的光譜及色度特性的測試及色度不確定度評定，其它各項指標可參考文本中的方法進行評估。

圖1 典型的分光測色儀結果示意圖

圖2 測試原理示意圖

標定原理及方法

標定時，將分光測色儀作為一個整體系統來考慮。假設在系統額入口平面上的光譜輻射照度為E（λ），單色儀入射狹縫的寬度b1，有效高度為h，整個系統總的有效光譜透射比為?（λ），探測器的光譜輻通量響應度為??（λ），儀器的設定波長為λ’,則系統的輸出信號S（λ’）為：

其中，z（λ’-λ）為單色儀的狹縫-散射函數。

對于分光測色儀，其系統參數是固定的，如輸入光路的布局、探測器系統、單色儀狹縫的有效高度、前后狹縫的寬度等。因此，定義：

為儀器系統的光譜輻射度照度響應度，簡稱儀器函數。

則：

由此可知，輸出信號是輸入信號和系統光譜響應度因子之乘積與狹縫-散射函數的卷積。當用替代法測量待測光源的光譜輻亮度時，由于儀器函數對于標準源和被測源都是相同的，那么在色度學中，我們將這種反映光譜功率隨波長的變化關系的輸出信號稱為光源的相對光譜功率分布。光源的色坐標、相關色溫等色度學參數均可由光源的相對光譜功率分布計算出來。

測試原理如圖2所示，先在測光積分球內或在儀器入射光路前（入射光路中無雜散光）點燃一只已知光譜分布的標準光源，預熱5分鐘后儀器進行標定。具體標定方法如下：

波長確定度

以低壓汞燈為標準光源，用以調校好的儀器對其波長進行測量，分別測得汞燈的三個發射峰值波長，重復測量三次，按下式將各個波長的測量平均值與其標準值做比較，其最大波長誤差即波長準確度：

式中：?λi為各波長測量平均值，nm；λ0為相應波長的標準值，nm。

波長重復性

方法同上，按下式計算波長重復性：

式中：λi為各波長測量值，nm；?λi為各波長測量平均值，nm；n為測量次數，取8。

a.標準光源條件下的色度準確度

保持儀器的光譜定標狀態不變，點燃另一只已知光譜功率分布標準光源，并且保持標準光源狀態不變，預熱5分鐘后對標準光源連續測量3次，測得3組色度值ui（i=1,2,3）。色度準確度按下式進行計算。

式中：?ui為色品坐標（x，y）第i次測量的平均值；u0為已知標準光源的色品坐標值。

b.標準光源與透射式標準色板組合條件下的色度標準度

保持儀器的光譜定標狀態和標準光源正常燃點工作狀態不變，在入射光路中插入透射式標準色板，測量各透射式標準色板對應的x，y值，將各測量結果與其標準值做比較，取其中最大誤差為標準光源與透射式標準色板組合條件下的色度標準度。

色度重復性

方法同上，按下式計算色度重復性：

式中：ui為色品坐標（x，y）第i次測量值；?ui為色品坐標（x，y）第i次測量的平均值；測量次數n=8。

分光測色儀在標準光源與透射式標準色板組合條件下，其色度準確度測量結果的擴展不確定度為U（x，y）=0.03，k=1。該評定方法適用于省級或由中國計量科學研究院傳遞的工作標注級分光測色儀的不確定分析。