光量测基础知识介绍.pdf

光量測基礎知識介紹(一) 簡介光度測量學（photometry）是測量人眼對光的響應的科學,， 由於人眼是一個高度複雜的器官，這無疑是一個非常困難的工作。

它涉及到多個學科，心理學、生理學和物理學等。

1924年，CIE(國際照明委員會)組織會議定義人眼對光平均對應值，從此光度測量學就成為一門現代學科。

該委員會抽樣測試了大量人群，將得到的數據繪製成明視（photopic）視含數曲線。

該曲線表明人眼對綠光反應最敏感，對紫光和紅光則反應較弱。

但實驗表明，在暗視場情況下，人眼有完全不同的感應值，在此情況下，人眼也無法辨別顏色。

于是，又進行了一系列測試，繪製出了暗視（scotopic）視含數曲線。

有了人眼的光譜感應曲線，CIE規定了標準光源作為光強量測的標準。

第一個標準光源是一特殊的蠟燭，由此得出footcandle和candlepower的定義。

為了最大可能的提升重複性，1948年，對標準進行了重新定義--一定量的金屬鉑融化所發出的光。

(二) 基本概念光度(光度學)的基本概念是流明（lumen），是一個與輻射度（radiometric）(幅射度學)中的Watt ， 相關的概念,關系如下︰lm = 683 * W * V(λ)V(λ)-相對發光度，由視函數得出的一個系數，把人眼在555nm(最靈敏波長)的值規定為1 。

兩個重要的光度學定理︰1、平方反比定理:連續光強光源在光接受表面的照度（illumination）與光源到接受表面距離之間的關系， 即照度值與該光源到接收面之間的距離的平方成反比。

因此，理想的照度測量必須要能精確控制距離的大小，如果某光源在某一距離的照度值已知，除非其他條件影響，任何距離的照度都可以經計算獲得。

2、余弦定理︰一定面積上的光強，因入射角的不同而隨之變化，這是因為實際投影面積隨入射角的增大成比例的減少。

這樣，在環境照明測試時，探頭需要進行余弦校正來計算實際值。

否則，就會產生相當大的誤差，尤其當入射角較小時，誤差更大。

光度量測的主要問題是如何再現人眼對光譜的附應。

電子探頭獨特的對應特徵完全不同于CIE標準觀者。

為此，探頭必須能按光譜校正數據。

通常有兩個方法達到該目的，a. 是通過不同波長掃描、探測--- 掃描法是用單色儀或多通道探測器來完成測試，在這種方法裡，光源的光強被逐一波長的測試，測得的數據根據明視視函數進行計算，得到測量結果。

由上可見，該技術需要微處理器，要有一定的掃描精度，因此並不實用，而且，價格昂貴，操作複雜。

b. 是匹配濾濾光片法----- 光學濾光片法提供了一個簡單、經濟的解決方案。

因只有一個光電信號需要處理，因此一個單通道的電子處理器即可。

近來濾光片設計技術的改進，以及固體探測器技術的提升，提高了該技術在光度量測上的正確度。

濾光片匹配技術是在探測器前加一有色濾光鏡（colored-glass filter）,該濾光鏡可以對不同波長進行選擇性衰減，直到符合CIE視函數曲線。

平面散射的Si光敏二極體，在可見光譜範圍內具有良好的線性對應和極高的靈敏度，因此是理想的光探測器。

使用Si探測器，再加上先進的濾光片設計，UDTI公司的光度計與CIE 視見函數曲線僅有1%的誤差。

根據CIE的統計，這是最佳的匹配值。

表示光度量測探頭性能的一個非常重要的參數就是f1′,這是由CIE協會定義的一個數值，由光度探測器的平均誤差與CIE視函數的比值得該數值。

最高精度------實驗室級精度的探測器的f1′<1.5%，一般的應用要求f1′<3%。

需要指出的是，探測器與濾光片之間的匹配是非常精密的，一旦匹配完成之后，就不能與其他的探測器/濾光片的配對互換。

每一個探測器都有一個獨特的響應特征，需要與特定濃度和層數的濾光片結合。

探測器的對應值確定了以後，就要用標準轉移技術來進行校正。

標準探測器由NIST提供。

將探測器/濾光片的配對定位于一個光源前，光源要求能夠輸出連續波長和強度，一般用鹵化鎢燈。

這樣，對被校正探測器的輸出電信號與標準探測器的信號進行對比。

探頭的光對應值確定了以後，就可以匹配一個精密的增益控制電子放大器和數據讀出系統。

三、重要術語光度量及单位光通量luminous flux ---- lm光通量的單位是流明（lumen）,是光度量的基本單位，表示可見光源所有的光輸出量。

因此，光通量的測量要求能夠將所有的光能量收集到光探測器上，對于發散光源，如LED、燈源等，光通量的測量就比較困難，這時就要用積分球來測量。

光照度illuminance光照度是指單位面積所接受的入射光的量 。

在英製單位裡，1平方英尺的面積上接受到1個流明的光通量，定義為1 footcandel。

公製單位中，每平方米1個流明為1勒克斯（lux）,10.76lux=1footcandle. 當然，探頭不可能有這么大的面積，所以，探頭的面積要相應的乘以一定的倍數。

由於探頭的面積不再由被照射的面積決定，因此當測量值超過探頭的測量範圍或在矯正光學的后面時，就要特別注意。

例如，照度測量時，經常由於光線偏離垂直光軸而造成測試錯誤。

這時，探頭就要配一個余弦校正器。

由於余弦接受器仍然要投影到探頭上，因此，余弦接受器的面積並不是探頭的面積，只是代表測試面積。

光出射度（luminous exitance）光出射度是表征光源自身性質的一個物理量。

光源的光通量除以光源的面積就得到光源的光出射度值。

光出射度用lumen/═表示，但與照度測試和lux不同，光出射度中的面積是指光源的面積，而不是被照射的面積。

平板發射會測試該值。

光強（luminous intensity）--- cd光強也是表征光源的性質的物理量，是指所有的直射光和發散光。

用均勻發射到球面角的光通量來表示光強的大小。

光強的基本單位是坎德拉（candela）,相當于1流明/球面度（lumen/steradian）。

光強的定義有兩點需要說明，一、該測量不適用于校正光源；二、對非均勻發射源，光強是不確定的。

要得到光強值，必須知道探頭的面積（或由探頭前面的光圈決定的面積）和測量的距離，這樣就可以計算出球面角，用光通量的數值除以球面角，就得到光強值。

光亮度（luminance）如大家所知的亮度（brightness）,光亮度（luminance）也是對相對平坦、均勻的平面反射或發射的光的量測。

測量時要考慮到測試的表面積和觀測者的視角。

光亮度可以看作是每單位面積的光強，所以在光量度單位中用candela/ m2表示，但是許多其他的定義也應用到該測量中，一些單位是用來測圓形面積，而不是方形。

（見光度量單位表）要測量亮度，必須嚴格規定探頭的視場和計算角度，通常要用到透鏡和反射板（baffle）。

實際上，人眼就相當于一個光亮度計。

注意，只要探頭的視場被充滿，探頭與測試平板之間的距離決定測量的結果。

這是因為，視場大小尺寸和光源的強度與距離成正比函數關係。

光度量（luminance energy）光度量是指放出的光通量，用流明‧秒表示。

多用于脈波光源或閃光光源。

基于時間的光度量是可以測量的，如可對閃光燈在某一方向上的照度對時間進行積分，得到footcandle‧秒。

四、如何建立光度測試系統建立一個光量測系統需要三步。

首先，對光源進行評估，決定用何種方法進行測試；然後，選擇合適的探測器及光學系統（探頭）；最後，為探頭配置電子設施，以提供應用所需的操作界面。

評估光源探測器對量測的正確與否有著非常重要的作用，畢竟光度量測與人眼對光的響應緊密相關，因此，首要的問題是，人眼是如何對被測的光源進行響應的。

比方說，測量周遭環境的照明情況，是想知道，人眼在某一範圍上是否可以看清文字或物體，關心的並不是光源的功率，而是在該塊面積被照亮的程度如何。

由此可見，無論是室外，還是辦公室、工廠，要測的光度量是照度。

但是，如果在同樣的房間或空間，希望知道牆、紡織物或印刷品的亮度，需測的參數就要改變了，因為此時人們所關心的是反射到人眼的光的量。

由于這些表面是散射光，相對均勻，最好是測亮度。

電子顯示，如CRT、電子顯示面板等，發出的光直接進入人眼，由於文字字符和線條細節太小，所以測試系統的視場（F.O.V.）必須進行限定，使得只有被照亮的部分可以測到。

這樣，根據定義，要測的量就是光亮度（luminance）,因此顯示屏的亮度經常用 footlambert來表示。

燈源的應用很多，很難用一個光度量來表示。

如前所提到的，用于空間照明（如，房間、街道體育場）的燈源或燈源系統，主要是照度測試。

但是，在汽車的外部照明應用中，前燈要測試照度、尾燈則要測試亮度。

市場上的許多微光源、透鏡光源，由於是發散光，肯定要測發光強度。

白熾燈和熒光燈生產廠用光通量（或等量的輻射值Watt）來檢驗產品,這是因為，它們都是固定在某一位置，散射光，必須測量它的所有發射光。

鐳射和發光二極體也需要類似的測試。

在科學應用上，一般測試輻射參數，但是，當研究它們對人眼的潛在傷害時，往往要測試光通量。

透鏡LED雖然是直射光源，但存在發散角，發光強度（光強）可以很好地表征該性質。

對于表面或邊發射的LED,很顯然，發射光是與表面積相關的函數關係，這時，就要測光出射度。

光量測試用于週期性的光源，脈波LED、攝影用的閃光單元、閃光燈、弧光燈系統、旋轉或掃描燈，光通量都是隨時間變化的光源。

正確選擇探頭測試類型決定了探頭及附件的選擇。

在任何測試中，都要用到Si光敏二極體探測器（sensor）、探測器外罩、光度濾光片。

在光通量的測試時，探頭必須能將所有的入射光聚焦或校正到探測器上。

如果，光通量超出了探測器的極限，輸出的信號就失去線性。

這時就要對光進行衰減。

中性濾光片（ND Filter）、光圈、積分球可達到該要求。

衰減元件的選擇要要根據衰減值的要求︰既不至于超過探測器的飽和度，又要保証探測器的響應靈敏度和動態范圍。

如果光是垂直入射的，簡單的探測器、濾光片組合就可以進行環境測量。

但當入射光偏離法線時，如光從窗戶或其它外部光源入射時，就需要余弦接受器。

積分球除了在燈源製造業廣泛應用外，對LED、微光源等發散光源也十分有用。

它可以確保插入積分球入口的光源的所有光被收集起來。

亮度的測量要對探頭定義視場，光源的被測範圍大小和探測器到被測物的距離可以計算出夾角，比較大、近場，簡單的擋板（baffle）,如球面遮光物、光圈將被用到。

但對于較小的圖像，如CRT等，就需要透鏡系統，在一定距離進行測試。

UDTI公司提供各種亮度測試用的透鏡、光學附件，包括顯微測試和遠程測試。

選擇與應用匹配的電子設備五、如何定量測試輻射系統選擇一靈敏的探測器和正確的讀數設備，對于測試準確度有著重要的影響。

探測器將電磁波信號轉化為電信號，然後讀取設備接收到這些信號，並進行處理。