光学计量的现状与发展

2013-12-12 admin1 444

  光学计量是计量学的一个分支,其内容是关于光辐射能量从发射、经媒介的传输以及被接收器探测这一过程中的测量。这个测量包含纯物理的测量以及采用模拟人眼感觉的心理、生理、物理测量。光学计量专业的基本单位是坎德拉(cd)。在计量学领域,不同专业之间的划分主要是根据7个SI基本单位、辅助单位以及导出单位的关系。因此,计量学中专业的划分与自然科学中学科的划分存在一些差异。光学计量覆盖的电磁辐射的波长范围为从1 nm到1 mm。

  光学计量的现状

  1 计量体系的现状

  溯源到SI单位制是准确、长期可比较测量的可靠和经济有效的方法。随着科技的发展,越来越多的光学量纳入到SI单位制体系中。光学计量从国际、国内两个层次保证测量的科学、准确和统一。

  国际上,随着1999年各国计量院之间测量结果的国际互认协议的签署,各国计量体系进一步与国际的SI体系建立紧密联系,通过参加周期性国际比对和质量体系的建设和确认与国际参考值建立链接,从而实现国际的一致性和等效性。在光学计量领域,通过国际计量局、区域计量组织开展的6个关键性量值和一些辅助性量值比对建立和保证国际等效性。目前已经完成一轮国际比对,新一轮比对将陆续展开。我国已有27项进入国际等效,并在不断增加中。

  在国内,经过五十多年的建设,我国已经建立起初步完善的计量体系。在光学计量专业,从光度、辐射度、色度、光谱光度和材料光学特性、激光辐射度、光电子等各方面建立了从国家计量基准、省计量院和行业计量站的计量标准一直到工作计量器具的量传和溯源体系。国家和各个行业计量部门为量值的传递和仪器的校准制订和实施了大量的规程规范。

  2 光学计量技术发展现状

  (1) 光度学

  光度学是模拟人眼对光强弱的感受进行测量的光学计量的分支。光度测量与人们的生活密切相关。目前已经建立了发光强度、光通量、亮度和照度的基、标准体系。在上一轮国际计量局组织的发光强度、光度计响应度和光通量国际关键性比对中我国都取得了很好的结果。

  (2) 辐射度学

  辐射度学是从纯物理的角度对光辐射的测量。目前我国已经建立起分别基于辐射源和辐射探测器的量值复现和量值传递体系。

  在基于辐射源的辐射测量方面,建立了基于高温黑体辐射源的光谱辐射亮度和光谱辐射照度的量值传递体系,光谱范围已经覆盖250~2500 nm。在上一轮光谱辐射照度的国际关键性比对中,我国取得了很好的结果。另外,建立了大气紫外辐射的光谱和积分辐射照度、真空紫外光谱辐射亮度、基于常温和中温黑体的积分辐射度量传体系。在首次进行的紫外辐射计响应度国际比对中,我国也取得了很好的结果。

  在基于探测器的辐射测量方面,基于在光辐射计量中准确度最高的低温辐射计建立了若干激光波长上的探测器绝对响应度标准装置,并通过实现探测器外量子效率模型,将基于低温辐射计的高准确度测量从激光波长扩展到硅探测器488~950 nm的光谱范围,实现了高准确度光谱响应度标准。在此之外,基于热电型探测器建立了紫外200 nm到红外1600 nm的探测器光谱响应度标准。

  (3) 在色度学方面,建立了基于物体表面光谱漫反射的物体表面颜色基、标准体系以及基于光谱辐射功率分布的光源色量传体系。建立了色温基准和显示器参数计量能力。

  (4) 在光谱光度和材料光学特性方面,建立了光谱透射比、光谱反射比、光学视觉密度、彩色密度、逆(回溯)反射、雾度、光泽度、折射率、成像光学以及椭偏光测量的基标准体系和计量能力。

  (5) 在激光辐射度方面,建立了激光功率、激光能量的基标准体系,建立了激光空域参数、激光波前、超短激光脉冲时域脉冲宽度等的计量能力。

  (6) 在光电子方面,建立了光纤功率、光纤功率探测器非线性度、回波损耗、光纤的折射率分布、模场直径、截止波长、光学时域反射、探测器时间响应等标准和计量能力。

  光学计量的发展

  20世纪光学计量的发展实现了体系的初步建立和完善。光学计量未来的发展将主要体现在量值准确度的持续提高、量程和波段的不断扩展、覆盖量值范围的不断扩大等方面。

  1 准确度的提高

  从提高基标准准确度的角度,量子化是光学计量未来发展的重要方向。量子效率可预测探测器(QEPD)、基于自发参量下转换过程的相关光子符合计数进行探测器量子效率绝对测量、光子数可分辨探测器(PNRD)等都将对绝对计量方法准确度的提高起到重要推动作用。另外,基于共晶点固定点的辐射源、同步辐射源的技术发展也将对基于辐射源的辐射度的提升起到重要推进作用。这些基准方法的发展也将带动和促进相应测量仪器和传递标准器的性能的持续提升。

  在光度学方面,基于陷阱探测器的光度计的采用将进一步提高光度探测器的准确度。在新型照明光源光谱功率分布与传统白炽光源偏差越来越大的情况下,随着基于线阵探测器的快速光谱辐射计的发展,光谱测量方法的普遍采用将是一种趋势,将对提高光度测量中的准确度和测量效率发挥重要作用。

  随着基标准水平的提高,对传递标准辐射源、探测器、测量仪器设备的稳定性等特性提出了更高的要求。例如固体照明光源LED的飞速发展提出稳定的适合 LED量传的光源要求;因为LED光源的光谱功率分布和光分布的差异,光度计的光谱失配的修正、光通量测量中球型光度计对光分布的不敏感性或空间分布响应修正、光谱辐射计的带宽和杂光的修正等方面正在进一步提升。

  2 波段和量程的扩展

  在光学计量体系中的波段和量程这两方面,还有大量的测量能力的空缺需要弥补。

  (1) 在波段上,会逐渐在更大范围覆盖在光学辐射的全部波段。光辐射测量的下限已经达到波长为1 nm,光辐射计量在短波范围的发展已经面临辐射度学与辐射剂量学量值的统一的问题。另外,新一轮国际比对中探测器响应度已经规划到波长最短至10 nm。目前,光辐射测量的上限已经与无线电波段重合,光谱辐射、光谱透反射测量正逼近波长为 1 mm的光辐射波段的上限。对这个上限的覆盖和超越在目前蓬勃发展的THz计量中已经得到充分体现。

  (2) 在量程上,低端至单光子探测、单光子源,高端从千瓦功率水平的连续激光以及脉冲高能激光不断挑战极限,向上扩展。

  3 覆盖量值范围的扩展

  随着科学技术的不断发展和进步,光学作为基础学科,其应用、渗透和影响范围越来越广。因而相应地,光学量值需要溯源到SI单位体系的范围和个数越来越多,国际互认的校准检测能力表的参数也越来越多。

  随着光量子、生物、天文等诸多领域技术的发展,国际计量界提出了量子坎德拉的概念以及开展了相关研究,开拓了量子光学计量领域和拓展了量值范围。在光度领域,随着CIE的中间视觉模型的发布,国际计量领域正在开展中间视觉测量方法和更好光谱匹配的用于中间视觉测量的探测器的研制,以实现贯穿整个视觉适应条件的光度标准,丰富了SI基本单位坎德拉的内涵。随着对激光峰值功率和时域波形的测量需求,超短激光脉冲通过自相关测量可测脉冲宽度达到飞秒量级,并且可以复原波形。随着对材料光学更全面透射、反射特性的需求,计量领域正在开展透射、反射空间和光谱分布的测量,如双向反射分布函数(BRDF)、双向透射分布函数(BTDF)、双向反射分布函数(BSDF)的测量以及全面反映物质表观性质的综合参数。随着太阳电池行业的发展,各国计量院开展了基于微分光谱响应度(DSR)方法的太阳电池短路电流测量并将于今年开展国际比对。

  由于发展的历史原因,一些行业各自建立了自己的量值体系,现已逐渐改为溯源到SI单位制。例如,世界气象组织(WMO)曾经保持了一组该领域的世界辐射基准(WRR),未直接溯源到SI单位,已被证实偏离SI单位结果达0.3%,目前正在做直接溯源到SI以取代WRR的工作。

  光学计量过去、将来一直都是伴随并促进科学技术的发展和仪器设备制造水平的提高而不断进步和完善,覆盖的量值范围不断增加,准确度不断提高,量程和量限不断挑战极限,越来越紧密地为科学技术的进步和经济贸易的发展提供光学计量的支撑。

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