積分球測量法中光譜儀的工作原理

積分球測量法有光度測量法和光譜測量法之分。早期單純用指針式光電檢流計表來讀取光度探頭中的光電流，再用手工計算的方法，其誤差很大，早已經(jīng)不用了。之后改進為用數(shù)字表讀數(shù)，但仍然過時很久了。目前，使用得多的是積分球光譜測量法。它又可分為光電倍增管式和CCD陣列式兩種。

（1）光電倍增管式光譜儀內(nèi)部的工作原理

被測燈發(fā)出的復色光在積分球內(nèi)均勻混光后被光纖輸入端頭接收，并由光纖傳送進入光譜儀，再經(jīng)濾色進入輸入狹縫，投射到光柵上對光譜光功率信號進行分解。

因為作為光電轉(zhuǎn)換的光電倍增管本身無法區(qū)分光譜，所以由機械裝置轉(zhuǎn)動光柵來把一定帶寬的單色光功率信號按照波長大小依次投射到輸出狹縫，由緊貼狹縫的光電倍增管接收并把光功率信號轉(zhuǎn)換并多級放大為電信號，再由外部電路進一步放大輸出到電腦中進行處理。在這一系列過程中，技術非常復雜。

此外，測量需要準確的波長掃描(這對于光譜連續(xù)的燈的測量準確性不是問題，但對分離光譜的燈的光色參數(shù)特別是色參數(shù)測量準確性很重要，例如白熾燈的色溫測量準確度很高而三基色節(jié)能燈的色溫測量準確度較差)，測量的分辨率和準確度又與輸入輸出狹縫寬度、波長定位及掃描步長關系很大。

所以光電倍增管式光譜儀的測量速度較慢，早期的光譜儀一般需2～3分鐘，近期的也需要10秒鐘左右。

光電倍增管式光譜儀的測量準確度可以很高，但光電倍增管也有缺點：

①靈敏度因強光照射或因照射時間過長而降低，停止照射后會部分地恢復，這種現(xiàn)象稱為“疲乏”。我們在對一臺使用了多年光電倍增管式光譜儀對同一白熾燈連續(xù)重復測量90 分鐘試驗中，其光通量不斷單向下降達3%，但色溫變化很小在5K 內(nèi)(0.2%)；

②光陰極表面各點靈敏度不均勻；

③在實際測量中施加的電壓太高會產(chǎn)生噪聲。

（2）陣列式CCD光譜儀內(nèi)部的工作原理

與光電倍增管式不同的地方是，陣列式CCD光譜儀由光柵把被測燈的復色光分解為按波長大小順序排列的光譜光功率信號，并一次性同時投射到可區(qū)分光譜波長的CCD陣列上，這種一次成像接收并獲得各波長光譜光功率信號的方式替代了需要掃描依次把單色光輸入到光電倍增管中來“分時段”接收各波長光譜光功率信號。并由此不再需要光柵掃描的機械轉(zhuǎn)動裝置。

所以，測量速度非?？?，可達毫秒級。目前，照明用的較好的CCD轉(zhuǎn)換器為2048位，計算可得最高波長精度為0.2nm。各方面總體來說，目前精度還比不上光電倍增管式光譜儀。

CCD的缺點有：①基底噪聲較大；②暗電流與溫度關系密切，需冷卻，每降低5～7℃，暗流就減小一半，專業(yè)應用的CCD常用液氮制冷，使其溫度低于-110℃；半導體制冷一般為-10℃至-20℃，難以達到很高水平；③ CCD器件各個像素的量子效率不一致，會造成各波長光功率大小測量誤差，這比上面提到的光電倍增管光陰極表面各點靈敏度不均勻的影響要嚴重。

以上兩種光譜儀內(nèi)部技術上非常復雜，各環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生誤差，設備成本檔次不同，誤差級別就不同，且購買設備時已固化了的。使用設備的檢測機構和企業(yè)不可能、也不允許隨便動。除光譜儀之外，我們在使用時更應注意避免或改進整個測量活動中可能存在的許多其它誤差源。

值得一提的是：對于較早期的機械掃描光電倍增管式光譜分析儀中，當用標準參考燈定標時，應調(diào)節(jié)光電倍增管的負高壓使其各光譜中的最大光功率值在電腦中掃描顯示約為20% 高度，之后的測量中該負高壓調(diào)節(jié)旋鈕就不要再動了，否則需重新定標。

其后測量中只需調(diào)節(jié)放大率旋鈕，因為標準參考燈一般為發(fā)光效率很低的白熾燈，而被測燈或LED燈發(fā)光效率可能高于它的數(shù)倍至十數(shù)倍，不一定光通量正好接近的標準參考燈；此外，白熾燈的光譜與很多被測燈的差異很大。

所以，常常需要調(diào)節(jié)電流放大率旋鈕來防止被測光譜功率信號防止溢出。另外，應比較一下各電流放大率旋鈕的各檔位在測量同一被測燈時，其結(jié)果是否一致。當不一致時，需要用標準參考燈在各檔位都檢測一下，選取與計量校準值最接近的檔位。

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