分光测色仪的定标及不确定度分析

分光测色仪是以光度色度学理论为基础，对光源的色度参数进行光谱光度测量的仪器，其最基本的用途是测量光源在可见光范围内的光谱辐射功率分布。它主要有输入光路部件（如测光积分球、导光纤维、透镜等）、单色仪及波长扫描驱动机构、输出光路部件、探测器及供电电源、输出信号处理读数仪表等部分组成。

图1为典型的分光测色仪结果示意图，测光积分球内光源发出的光线，经一光学系统（如光纤或镜头等）输出后，被汇聚在单色仪的入射狭缝上，径单色仪分光后的单色光由单色仪出射狭缝上，并由光电探测器转换为电信号，再经电路放大处理和A/D转换将数字信号送入数字处理系统。计算机发出波长控制信号，驱动光栅扫描，实现从380nm到780nm的光谱测量。最终得到一系列波长的光谱信号，再经过数据处理系统计算，得到各种光度和色度参数。对分光测色仪的测试需要从光谱、光度、色度、杂散光等多方面考察，鉴于篇幅问题，文本将主要研究分光测色仪的光谱及色度特性的测试及色度不确定度评定，其它各项指标可参考文本中的方法进行评估。

图1 典型的分光测色仪结果示意图

图2 测试原理示意图

标定原理及方法

标定时，将分光测色仪作为一个整体系统来考虑。假设在系统额入口平面上的光谱辐射照度为E（λ），单色仪入射狭缝的宽度b1，有效高度为h，整个系统总的有效光谱透射比为（λ），探测器的光谱辐通量响应度为（λ），仪器的设定波长为λ’,则系统的输出信号S（λ’）为：

其中，z（λ’-λ）为单色仪的狭缝-散射函数。

对于分光测色仪，其系统参数是固定的，如输入光路的布局、探测器系统、单色仪狭缝的有效高度、前后狭缝的宽度等。因此，定义：

为仪器系统的光谱辐射度照度响应度，简称仪器函数。

则：

由此可知，输出信号是输入信号和系统光谱响应度因子之乘积与狭缝-散射函数的卷积。当用替代法测量待测光源的光谱辐亮度时，由于仪器函数对于标准源和被测源都是相同的，那么在色度学中，我们将这种反映光谱功率随波长的变化关系的输出信号称为光源的相对光谱功率分布。光源的色坐标、相关色温等色度学参数均可由光源的相对光谱功率分布计算出来。

测试原理如图2所示，先在测光积分球内或在仪器入射光路前（入射光路中无杂散光）点燃一只已知光谱分布的标准光源，预热5分钟后仪器进行标定。具体标定方法如下：

波长确定度

以低压汞灯为标准光源，用以调校好的仪器对其波长进行测量，分别测得汞灯的三个发射峰值波长，重复测量三次，按下式将各个波长的测量平均值与其标准值做比较，其最大波长误差即波长准确度：

式中：λi为各波长测量平均值，nm；λ0为相应波长的标准值，nm。

波长重复性

方法同上，按下式计算波长重复性：

式中：λi为各波长测量值，nm；λi为各波长测量平均值，nm；n为测量次数，取8。

a.标准光源条件下的色度准确度

保持仪器的光谱定标状态不变，点燃另一只已知光谱功率分布标准光源，并且保持标准光源状态不变，预热5分钟后对标准光源连续测量3次，测得3组色度值ui（i=1,2,3）。色度准确度按下式进行计算。

式中：ui为色品坐标（x，y）第i次测量的平均值；u0为已知标准光源的色品坐标值。

b.标准光源与透射式标准色板组合条件下的色度标准度

保持仪器的光谱定标状态和标准光源正常燃点工作状态不变，在入射光路中插入透射式标准色板，测量各透射式标准色板对应的x，y值，将各测量结果与其标准值做比较，取其中最大误差为标准光源与透射式标准色板组合条件下的色度标准度。

色度重复性

方法同上，按下式计算色度重复性：

式中：ui为色品坐标（x，y）第i次测量值；ui为色品坐标（x，y）第i次测量的平均值；测量次数n=8。

分光测色仪在标准光源与透射式标准色板组合条件下，其色度准确度测量结果的扩展不确定度为U（x，y）=0.03，k=1。该评定方法适用于省级或由中国计量科学研究院传递的工作标注级分光测色仪的不确定分析。