Improvements in spectroradiometric measurements and applications

Abstract

Irradiance refers to the density of the radiant flux of electromagnetic radiation incident on a surface. Spectrally resolved measurements of irradiance are required in many fields, such as in solar ultraviolet radiation monitoring, in ozone retrieval, and in photometry. Spectral irradiance is commonly measured using scanning or array spectroradiometers equipped with a mono-chromator. In order to fulfill the accuracy requirements for a given application, several instrument properties need to be considered, including the quality of the entrance optics, the linearity characteristics of the instruments, and the stray light. This thesis describes a ray-tracing method for simulating radiation transport in the entrance optics which can be used to aid in the optimization of the angular response of the instruments. The quality of entrance optics is especially important in global measurements of solar irradiance. The thesis also presents the nonlinearity characterization results for two array spectroradiometers. Significant nonlinearities were detected for the studied spectroradiometers. Furthermore, in this thesis, the stray light properties of Brewer spectrophotometers, used globally in solar ultraviolet and ozone monitoring, were studied through direct measurements, filter characterizations, and simulations. Stray light from wavelengths outside the nominal measurement range of the instruments were found to cause significant issues in the solar ultraviolet spectral irradiance measurements. Photometry is a field of science that focuses on measuring the brightness perception in humans caused by radiation. Spectral irradiance measurements are commonly used in photometry to determine spectral correction factors. Spectral irradiance data can also be used directly to calculate the corresponding photometric quantity, illuminance. However, this technique is rarely used in applications with high accuracy requirements, due to the uncertainties of absolute spectral irradiance determination. Instead, filtered broadband detectors, photometers, are used in the measurements. This thesis presents a method for determining the illuminance of white LED sources using a combination of relative spectral irradiance measurement and a highly accurate unfiltered broadband detector. This method can improve the uncertainty of illuminance measurements of white LEDs by eliminating the need for a separate spectral responsivity characterization of the photometer.

Irradianssilla viitataan pinnalle saapuvan sähkömagneettisen säteilytehon tiheyteen. Spektrisen irradianssin mittauksia hyödynnetään useilla aloilla, kuten auringon ultraviolettisäteilyn seuraamisessa, otsonikerroksen paksuuden määrittämisessä ja fotometriassa. Spektrisen irradianssin mittaukseen käytetään tyypillisesti monokromaattorilla varustettuja skannaavia tai kennopohjaisia spektroradiometrejä. Sovellusten tarkkuusvaatimusten täyttämiseksi käyttäjän tulee ottaa huomioon lukuisia mittalaitteiden ominaisuuksia, kuten sisääntulo-optiikan laatu, sekä laitteen lineaarisuus- ja hajavalo-ominaisuudet. Tässä väitöskirjassa kuvataan mittalaitteiden sisääntulo-optiikan simulointiin soveltuva menetelmä, jota voidaan käyttää hyväksi mittalaitteiden kulmavasteen optimoinnissa. Sisääntulo-optiikan laatu on erityisen tärkeää mitattaessa auringon irradianssia koko taivaankannelta. Väitöskirjassa esitetään myös kahden kennopohjaisen spektroradiometrin epälineaarisuus-mittausten tulokset. Mittauksissa havaittiin tutkittavien laitteiden toiminnassa merkittäviä epälineaarisuuksia. Työssä tutkittiin myös Brewer-spektrofotometrien hajavalo-ominaisuuksia suorien mittausten, suodatinkarakterisointien ja simulointien avulla. Brewer-spektrofotometrejä käytetään maailmanlaajuisesti auringon ultraviolettisäteilyn ja otsonikerroksen paksuuden seurannassa. Laitteen nominaalisen aallonpituusalueen ulkopuolelta peräisin olevalla haja-valolla todettiin olevan merkittävä vaikutus mittaustuloksiin auringon UV-säteilyn spektri-sen irradianssin mittauksissa. Fotometria on tieteenhaara, joka keskittyy valon ihmisessä aiheuttaman kirkkausvaikutelman mittaamiseen. Spektrisiä irradianssimittauksia hyödynnetään yleisesti fotometriassa spektristen korjauskerrointen määrittämiseen. Spektrisestä irradianssista voi laskea myös suoraan vastaavan fotometrisen suureen, valaistusvoimakkuuden. Menetelmää käytetään kuitenkin vain harvoin suurta tarkkuutta vaativissa sovelluksissa absoluuttisen spektrisen irradianssin määrittämiseen liittyvien epävarmuuksien takia. Tämän sijaan mittauksissa käytetään tyypillisesti suodatettuja laajakaistaisia ilmaisimia, fotometrejä. Tässä väitöskirjassa esitetään valkoista valoa tuottavien ledilähteiden valaistusvoimakkuuden määrittämismenetelmä, joka perustuu suhteellisen spektrisen irradianssin mittaamiseen ja tarkan suodattamattoman laajakaistaisen ilmaisimen käyttöön. Menetelmällä voidaan pienentää valkoisten ledien valaistusvoimakkuusmittausten epävarmuutta poistamalla fotometrien spektrisen vasteen määrittämisen tarve.