光谱仪,光谱响应,辐射量,辐照度,辐射亮度,辐射率,光栅,辐射计

光谱仪简介

光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。

将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。

图片

图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S，S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。目前普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计，可以具有较宽的光谱范围。

表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。基于干涉原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪）具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。

单色仪

科技名词定义

中文名称：

单色仪

英文名称：

monochromator

定义：

从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。

所属学科：

机械工程(一级学科) ；光学仪器(二级学科) ；物理光学仪器(三级学科)

本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

monochromator

光谱仪器中产生单色光的部件。

单色仪与光谱摄谱仪的结构相似，为从宽波段的辐射束中分离出一系列狭窄波段

的电磁辐射。它以出射狭缝取代摄谱仪焦面上的感光板。有棱镜单色仪和光栅单色仪。

其中光栅单色仪比较应用广泛。在科研、生产、质控等环节。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单

色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑

自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。

当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通

过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦

反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。

光谱响应

(1)指光阴极量子效率与入射波长之间的关系.

(2)光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量

地说，太阳电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。太阳电池的光谱响应又分为绝对光谱响应和相对光谱响应。各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为太阳电池的绝对光谱响应。如果每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳电池上，所产生的短路

电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线，这就是该太阳电池的相对光谱响应。但是，无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越高，越平坦，对应电池的短路电流密度就越大，效率也越高。

(3)太阳电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。例如：通常红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的。由于光的颜色（波长）不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱响应特性。光谱响应特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳电池，测量此时电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱响应特性。

(4)光谱响应特性与太阳电池的应用：从太阳电池的应用角度来说，太阳电池的光谱响应特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的，这样可以更充分地利用光能和提高太阳电池的光电转换效率。例如，有的电池在太阳光照射下能确定转换效率，但在荧光灯这样的室内光源下就无法得到有效的光电转换。不同的太阳电池与不同的光源的匹配程度是不一样的。而光强和光谱的不同，会引起太阳能电池输出的变动。

辐射量

科技名词定义

中文名称：

辐射量

英文名称：

radiant quantity

定义：

用能量单位度量的与辐射有关的各种量。

所属学科：

机械工程(一级学科) ；光学仪器(二级学科) ；光学仪器一般名词(三级学科)

辐照度

科技名词定义

中文名称：

辐照度

英文名称：

irradiance

定义1：

单位时间内投射到单位面积上的辐射能量。

所属学科：

大气科学(一级学科) ；大气物理学(二级学科)

定义2：

物体在单位时间、单位表面上接受到的辐射能。单位为W/m2。

所属学科：

电力(一级学科) ；可再生能源(二级学科)

定义3：

照射到包含所述点的无限小面元上辐射通量除以该面元的面积。

所属学科：

海洋科技(一级学科) ；海洋科学(二级学科) ；海洋物理学(三级学科)

定义4：

单位时间内投射到单位面积上的辐射能量。

所属学科：

资源科技(一级学科) ；气候资源学(二级学科)

本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

辐照度（Ee , E）是一种物理参数，是在某一指定表面上单位面积上所接受的辐射能量。单位：瓦特/平方米。

若为投射到一平表面上的辐射通量密度，则称为辐照度，用符号E表示，指到达一表平面上，单位时间，单位面积上的辐射能；若是从一表平面向外发出的辐射通量密度，则称为辐射出射度，或简称辐出度，用符号M表示，指单位时间，从单位面积上发出的辐射能。E、M的单位同为瓦特／平方米。

辐射亮度

表示面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量。辐射亮度的SI单位为瓦／( 球面度.米2 ) 。

面辐射源的辐射亮度L：辐射源在某一方向的单位投影面积在单位立体角内的辐射通量，称为辐射亮度（Radiance）L。

单位是W/(sr*m2)。

辐射率

科技名词定义

中文名称：

辐射率

英文名称：

radiance

定义：

辐射源在与发射方向相垂直的单位面积上单位立体角内发出的辐射

功率。

所属学科：

大气科学(一级学科) ；大气物理学(二级学科)

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辐射率或称辐射亮度，是描述面辐射源特性的物理量。它表示辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量，用符号L表示，L是有方向性的，单位为瓦／米2球面度（Wm-2sr-1）。辐射率是某物体的单位面积辐射的热量和黑体在相同温度、相同条件下的辐射热量之比。辐射率定义是某物体吸收或反射热量的能力。理论上完全黑体对所有波长具有100%的吸收，即反射率为0。因此，黑体的辐射率为1.0。

辐射计

测量电磁辐射量的仪器。它响应的波长范围较宽,包括紫外线、可见光和红外辐射。主要应用于测量各种辐射源的辐射功率。

辐射计一般包含四个基本组成部分。①光学系统:以一定大小的孔径面积收集入射的辐射功率，成像后落在探测器的敏感面积上。②探测器：使接收到的辐射量转变为可测量的信号，通常是电压信号。③放大器和记录显示装置：对探测器输出的信号予以放大、处理、显示或记录。④参考辐射源和调制器：用作仪器内部的辐射基准，一般取黑体的形式。

响应率输入单位辐射量时辐射计的输出。辐射计的响应率R根据测量参数的不同有三种定义。①响应率R：入射辐射通量变化墹Φ与输出信号变化墹V之比，R=墹V/墹Φ。②响应率RE：入射光瞳上辐照度变化墹E与输出信号变化墹V之比，RE＝墹V/墹E。③响应率RL：入射光瞳上辐亮度变化墹L（即单位面积单位立体角内的辐射通量的变化）与输出信号变化墹V之比，RL＝墹V/墹L。辐射计的响应率确定后，根据辐射计的输出就能获得入射的辐射量。但是，辐射量是波长、方位、偏振和时间的函数。因此，辐射计必须考虑视场、光谱响应和时间常数或频率响应。理想的辐射计应设想为，在辐射计的视场内响应为常数，视场以外响应为零。在光谱响应方面，在工作的波长范围内响应为常数，在这个范围以外响应为零。时间响应也是如此。实际的辐射计都不是理想的，可通过实测其视场和光谱响应，求得等效的理想辐射计的响应曲线。

类型①直流型：用温差电堆作接收器，时间常数约2秒,参考辐射由温差电堆的发射率和温度决定。②交流涂黑调制器型：用热敏电阻作探测器，辐射计的时间常数为25毫秒，其参考辐射为涂黑的调制盘。

③交流平面镜调制器型：探测器为热敏电阻，辐射计时间常数约为几十毫秒，以黑体作为参考辐射源。图中为这类辐射计的结构。它的工作原理是从被测的辐射源发射的辐射（包括可见光、红外辐射等）入射至辐射计，为光学系统所会聚，并成像在探测元件上；探测元件将入射辐射转变为电信号，信号大小正比于输入辐射；电信号经放大处理,加以显示和记录。由于探测元件的性能不同,放大器的增益等可能发生变化，所以，辐射计内部设置一个参考黑体，其发射率是稳定的,温度是精确控制的,由它提供一个参考的辐射基准。用一个与光轴成45°设置的、由电机驱动的扇形平面镜调制器进行调制，其作用是将入射辐射与参考辐射交替地投在探测元件上。经过处理就可将入射辐射与参考辐射相比较，获得测量结果。

定标确定辐射计的响应率，测出输入、输出的定标曲线。定标方法有两种：一种是用标准辐射源，另一种是用标准探测器。高精度的标准辐射源也有两类：一类是腔式黑体，腔口较小，发射率很高，使用时将黑体放在远处，使辐射计瞄准黑体腔，并使腔口充满辐射计的视场，改变黑体的温度，即可得不同的输入辐射和相应的辐射计输出；另一类是面源型黑体，蜂窝结构，面较大，定标时贴近辐射计，使面源充满辐射计的入射孔径，同样可以获得定标曲线。

用标准探测器进行辐射定标。标准探测器的原理是利用电加热功率增减来平衡由于入射辐射的加热。在平衡时，电加热功率即等于入射的辐射功率。这种标准探测器常称为绝对辐射计或电定标辐射计。将辐射计与绝对辐射计相比，也可获得定标曲线。英国国家物理实验室和美国国家标准局都采用电定标热电辐射计作为辐射计量的标准。

应用广泛用于测量目标的辐射特性，特别是军事目标的辐射特性。还可用于非接触的温度测量等。在测量点源时（即被测目标对辐射计的张角小于辐射计的视场），首先要瞄准目标，使点源的像全部进入探测元件。其次注意落入视场内的背景辐射。特别是在热红外波段测常温目标时，背景辐射不可忽视。在测量面源时（即目标的张角大于辐射计的视场）,确切确定测量部位,以便消除背景的影响。在大气中测量，还必须研究大气吸收对辐射的影响。

辐射计是最基本的辐射测量仪器。进一步扩展其功能即可改变为各

种性能的辐射计。①光谱辐射计：将入射红外辐射分光后，对各波长的红外辐射分别测量辐射强度的仪器,如地物光谱仪、航空地物光谱仪等,

可用于遥感研究。②扫描辐射计：通过扫描对景物逐点逐行进行红外辐射强度测量的仪器。③多光谱扫描辐射计：通过扫描方式对景物逐点逐行并同时用若干波段进行辐射测量的仪器（见多光谱扫描仪）。

物理上的光栅原理说明

光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量

很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，

形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。

衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式（a+b)(sinφ ± sinθ) = kλ表示。式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，φ为衍射角，θ为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角，k为明条纹光谱级数（k=0，±1，±2……），λ为波长，a+b称作光栅常数。用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹的特点是：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。因而利用光栅衍射可以精确地测定波长。衍射光栅的分辨本领R=l/Dl=kN。其中N为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。增大缝数N提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。

最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为“光栅”。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛；按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、炫耀光栅、阶梯光栅等。