Applications of Radiometric Measurements in Non-Contact Thermometry and Mesopic Photometry

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-09-16
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
49 + app. 42
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 167/2016, VTT Science, 134
Abstract
Radiometry deals with the measurement of electromagnetic radiation, its power and spectral and spatial distributions. Radiometric measurement techniques find use in many practical applications, including the measurement of visible light and its colour in photometry, measurement of temperature in pyrometry, chemical composition and physical properties in spectroscopy. The two main focus areas in this thesis are the non-contact measurement of temperature of a microscopic object and the practical application of mesopic photometry. The subject in the study of the non-contact temperature measurement was a silicon microbridge emitter. The temperature of the microbridge was determined from its radiance spectrum in the visible and near-infrared regions. In contrast to previous studies, a grey body assumption was not used, and the determination of temperature was done by modelling spectral emissivity of the multi-layered structure of the microbridge. To accurately model the emissivity, the optical properties of the silicon at high temperatures were studied, which was not previously done for silicon with high doping concentrations. The extinction coefficient was determined from the radiance of a test sample placed in a furnace. Mesopic photometry is a relatively new technique for measuring light, which takes into account the change of visual response in the overlapping region between the so-called day and night visions in the human eye. In this thesis, a novel dual channel photometer developed and characterised for the measurements in the mesopic luminance range is presented. The recommended system for mesopic photometry was published by the International Commission on Illumination (CIE) in 2010, and it provides mathematical tools for calculating mesopic quantities. The CIE mesopic system was studied in detail for this thesis and its applicability was analysed for all possible conditions in the mesopic range. Two problem areas were discovered at the edges of the mesopic range, where the mathematical model either did not converge or exhibited discontinuity. As a practical solution, a set of parameterised equations is presented that provides closed-form solutions and continuous transitions, with minimal deviation from the CIE system.

Radiometria käsittelee sähkömagneettisen säteilyn mittaamista, sen tehoa ja spektrisiä ja spatiaalisia jakaumia. Radiometrisiä mittausmenetelmiä tarvitaan monessa käytännön sovelluksessa, mukaan lukien näkyvän valon ja värin mittaus fotometriassa, lämpötilan mittaus pyrometriassa, sekä kemiallisen koostumuksen ja fysikaalisten ominaisuuksien mittaus spektroskopiassa. Kaksi painopistealuetta tässä väitöskirjassa ovat mikroskooppisten kohteiden lämpötilan mittaus ilman kosketusta ja mesooppisen fotometrian käytännön toteutus. Lämpötilan mittauksen kohteena oli piistä valmistettu mikrosilta-säteily-lähde. Mikrosillan lämpötila määritettiin sen radianssispektristä näkyvällä ja lähi-infrapuna-alueella. Toisin kuin aiemmissa tutkimuksissa, harmaan kappaleen oletusta ei ole tehty, vaan lämpötilan määritys tehtiin mikrosillan monikerrosrakenteen emissiivisyyttä mallintamalla. Tarkkaa mallinnusta varten tutkittiin piin optisia ominaisuuksia korkeissa lämpötiloissa, mitä ei ole aikaisemmin tehty raskaasti seostetulle piille. Piin ekstinktiokerroin määritettiin uunissa lämmitetyn piinäytteen radianssista. Mesooppinen fotometria on suhteellisen uusi menetelmä valon mittaamiseen. Se ottaa huomioon ihmissilmän herkkyyden muutokset kirkkausalueella, jossa ns. yönäkeminen muuttuu päivänäkemiseksi. Tässä väitöskirjassa esitellään uusi kaksikanavainen fotometri, joka on kehitetty ja karakterisoitu mittauksiin mesooppisella luminanssialueella. Kansainvälinen valaistuskomissio (CIE) on julkaissut suosituksen mesooppiselle järjestelmälle vuonna 2010. Järjestelmä antaa matemaattiset työkalut mesooppisten suureiden laskemiseen. CIE:n mesooppista järjestelmää tutkittiin yksityiskohtaisesti tässä väitöskirjassa mukaan lukien sen soveltuvuus kaikille mahdollisille valaistusolosuhteille mesooppisella alueella. Kaksi ongelmakohtaa löydettiin mesooppisen alueen äärirajoilla, joissa matemaattinen malli ei konvergoinut tai oli epäjatkuva. Käytännön ratkaisuehdotuksena ongelmaan esitellään joukko parametrisoituja yhtälöitä, jotka takaavat jatkuvuuden yrittäen minimoida poikkeamat CIE:n järjestelmästä.
Description
Supervising professor
Ikonen, Erkki, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
Thesis advisor
Kärhä, Petri, Doc., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
Keywords
radiometry, pyrometry, non-contact temperature, microbridge, microglow, silicon, extinction coefficient, photometry, mesopic, luminance, radiometria, pyrometria, lämpötilan mittaus, mikrosilta, microglow, pii, ekstinktiokerroin, fotometria, mesooppinen, luminanssi
Other note
Parts
  • [Publication 1]: M. Shpak, P. Karha, M. Ojanen, E. Ikonen and M. Heinonen, "Optical temperature measurement method for glowing microcomponents," International Journal of Thermophysics 31, 1762–1770 (2010).
    DOI: 10.1007/s10765-010-0836-3 View at publisher
  • [Publication 2]: M. Shpak, L. Sainiemi, M. Ojanen, P. Karha, M. Heinonen, S. Franssila and E. Ikonen, "Optical temperature measurements of silicon microbridge emitters," Applied Optics 49, 1489–1493 (2010).
    DOI: 10.1364/AO.49.001489 View at publisher
  • [Publication 3]: M. Shpak, P. Karha, G. Porrovecchio, M. Smid and E. Ikonen, "Luminance meter for photopic and scotopic measurements in the mesopic range," Measurement Science and Technology 25, 095001, 7 pages (2014).
    DOI: 10.1088/0957-0233/25/9/095001 View at publisher
  • [Publication 4]: M. Shpak, P. Karha and E. Ikonen, "Mathematical limitations of the CIE mesopic photometry system," Lighting Research and Technology, 11 pages, published online before print (2015).
    DOI: 10.1177/1477153515599436 View at publisher
Citation