使用裸光纤进行光谱辐（射）亮度测量

简介

我们会被经常问到关于使用裸光纤测量光源的问题，特别是当测试的光源强度特别低或者视场有所要求的时候。那我们就针对辐射校准这方面进行讨论。

辐亮度和辐照度

辐（射）亮度是指辐射通量的测量或者单位面积单位固定视场角的入射光强度，单位为W/cm²/Sr，Sr是球面度。这与辐照度是不同的，辐照度测量的是单位面积的光强，单位为W/cm²。首先我们将讨论辐射亮度测量，相对于辐照度测量，辐射亮度测量更容易，使用裸光纤即可完成。

裸光纤的校准

使用裸光纤可获得25°全角视场角（FOV），采样光区域的直径大致为光纤到测量面垂直距离的一半。裸光纤很适合观测到大面积发光区域，比如天空，或者近距离观测某个光源（当然发光面积要覆盖光纤全视场）。如果测试一个面积比裸光纤全视场角范围还要小的样品，可以使用海洋光学的Gershun Tube套装（GER-KIT）可以将裸光纤的视场角降低，重新校准后再进行测量。

相对于搭配余弦校正器或者另外的光学器件，裸光纤信号衰减大幅减小，特别有利于测量弱光信号，但也会对于光学和测量位置条件敏感度更高。

裸光纤的辐射亮度校准是使用NIST溯源的大面积漫射标准源，配合定位导轨上进行的。主要的校准思路是：选择已知的，标准的光谱辐射亮度源（单位：μW/cm²/nm/steradian）；然后使用光纤连接光谱仪得到其输出值（单位：counts/sec）；已知光谱辐射亮度对未知光谱仪的读出值( scope mode) 的比值就可以得到校准系数，该校准系数在一个像元上的单位为μJ/cm²/steradian/count。

海洋光学可以在出厂时对带光纤的光谱仪进行辐射亮度校准，也可以指导客户自行开展辐亮度校准。

裸光纤测量

裸光纤辐射测量的理想应用是测试大面积漫射面光源，比如LCD屏幕。为了确保测量的准确性，我们建议使用裸光纤的测量时，样品应具有大面积漫射特性。当我们测量点光源时（比如LEDs，激光或者光纤源），光纤探头可能过估了物体的光学输出量。比如说，使用NIST校准可追溯的积分球光源（可以视为扩展漫射光源）对裸光纤和光谱仪进行了校准，然后再使用这一套设备测量一个NIST校准过的FEL灯（比如可以视为点光源），这时得到的辐射照度数值是真实值的2-3倍。此外，测量的一致性很容易受探头的对安装位置和距离敏感性影响，如果位置收到扰动，测试系统的读出值之间会有30-40%的偏差。

对于那些需要使用裸光纤测试点光源的客户而言，NIST溯源的FEL光源可以帮助他们校准光纤探头和光谱仪，以确保测量与校准条件一致。这会帮助客户减小测量误差，但是这对读出数据的不确定性没有任何改善，读出数据的不确定性由两部分组成:系统校准时的读出不确定性，测量时的读出不确定性。海洋光学正在逐步淘汰使用FEL校准光源对裸光纤校准的标准服务，现在更多的是看具体案例而定。但是，为了更贴近客户，海洋光学可以提供替代的校准服务来满足客户对精度和准确性的要求。

裸光纤系统辐射亮度到辐照度转变

裸光纤测量到的辐射单位为μW/cm²/nm/steradian，如果想得到辐照度（单位是μW/cm²/nm），可以通过下列公式进行转换。理论上，转换公式如下

其中Ls是测量得到的辐射亮度值(单位μW/cm²/nm/steradian)，Ω是光纤探头的立体角（球面度），等于π×(NA)²，NA为光纤的数值孔径(海洋光学提供的大多数光纤的数值孔径均为0.22).

目前，使用裸光纤进行的校准，包括海洋光学提供的校准光源，均以海洋光学的软件（比如：OceanView和SpectraSuite）读出值和单位作为默认值，而且提供的辐照度校准参数均是使用数值孔径为0.22的光纤获得的。如果需要使用不同数值孔径（比如0.35）的光纤进行辐照度测量，请联系海洋光学工程师。大多数情况下，只要进行简单的比例系数转换即可。

结论

使用裸光纤进行弱光源的辐射亮度和辐照度测量是比较好的选择，因为它不会对信号有衰减，所以对于那些不能使用余弦校正器的微弱光源来说，该方案是很有用的。然而，该测量方案对于发光物体的发光状态非常敏感，所以当校准条件与测量条件不一致时，测量结果的误差就比较大。标准校准流程可以确保在测量漫射光源样品时的准确性。对于其他应用情况下使用裸光纤，请联系海洋光学工程师。如您还需要了解更多关于辐射或者辐照度的测量问题，请联系海洋光学。