光辐射测量原理与技术——光通量及亮度的测量

杂,
• 工作原理：
由光通量定义有: I E A 故只要测出在 △A面积上的光照度E,再乘以△A,即可求得点光源在 单位立体角内光通量的大小。
设想一闭合球面包围光源,将球面分割成若干面 积元S1、S2、S3……测出各个面积元上所对应的照 度为E1 、E2 、E3……求出各个面元上的光通量为 E1S1 、E2S2 、E3S3 ……
• 理想积分球的条件：
①积分球的内表面为一完整的几何球面,半径处处 相等
②球内壁是中性均匀漫射面，对各种波长的入射光 线具有相同的漫反射比
③球内没有任何物体,光源也看作只发光而没有实 物的抽象光源
• 理想积分球原理：
１.积分球（光通球或球形光度计）结构： ①内部空的完整球壳,内壁涂白色的漫射层 ②球直径按待测灯尺寸和功率大小而定,直径D=1m、
M
ds
A处dS发生漫射在M处产生的二次照度为: A
dE2
L ( AM )2
cos2 ds
L ds ( AM )2
(
AM r
/
2
2)
2
L ds 4r 2
上式代入得
dE2
EA 4 r2
ds
整个球面发生一次漫射在M处建立的二次照度为：
E2 dE2 4 r2 EAds 4 r2
类似分析为：二次漫射光线在M处建立的三次照度
EM
E
1
4 r 2
1
4 r 2E
上式中r、ρ均为常数,球壁上任何位置的E与光 源S的总光通量Φ总成正比,因此可以通过测量球壁 上开的小窗口的照度来计算光源的总光通量Φ总。
原理:标准光源的光通量已知ΦS,EρS可测得,在待 测光源的EρX测得后,即可用相对比较法测得 待测光源的Φ总即为球型光度计测量光源总
为：
dE3 E2ds / 4 r2 E3
dE3
E2 4 r2
ds E2
同理：E4 E3 2E2
E5 E4 2E3 3E2
则M点的总照度EM为:
EM E1 E2 E3 E1 E2 (1 2 )
EM
E1
1
1
E2
E1 1
4 r2
E1 E
故用小挡屏挡住S直接射向M点的光线时，则E1=0
cosi
1
2i n
cosi1
cosi
1 n
cosi
cosi1
1 n
1
2i 1 n
• 分布光度计：
1.种类：立式（见书P36图）和卧式分布光度计
2.常用全自动控制分布光度计：可测量光源的总光 通量,还可测量任一截面内光源在各个方向上的 发光强度分布（即光源的配光曲线）
§３-６亮度的测量及紫外线亮度的测量
SH2光电倍增管(160-870nm) ②无选择性接受器:热电偶、热敏电阻接受器响应 度在200-400nm的紫外线区内均有很好的响应度
5.紫外辐射照度计的定标： ①按图装置好器材，使l≥10r(r-辐射源线度）
一层喷一层,每层厚度为0.5-1.5mm之间,喷10次 以上
§３-３相对比较法测总光通量
• 测量前准备工作：
1.在球内点燃一只白炽灯去潮气,使球内壁漫发射 稳定和预照光电池使其稳定
2.测量时依次点燃标准灯和待测灯
• 相对比较法测量光源总光通量原理：
装标灯在球心：
ES
S 4 r 2
1
①
装待测灯在球心：
• 透镜成像光亮度的确定：
当S，S’远小于Ｌ1 ,Ｌ2时,由S发射并通过透镜的 光
通量为: LAS / l2
Φ在ES’接 /受S 面 L上A产S 生/ l2的S '照 度LA为 ：S
l2 S'
由图知:
S S'
l12 l22
E
LA
l12
S S'
LA
l12
l12 l22
L El22 / A
E x
x 4 r2
1
②
由①/②得：
ES
/
E x
S
/ x
x
E x E S
S
若探测器在线性范围内工作,i∝E则有：
x
ix is
S
is、ix 分别为标灯和待测灯的电流可测出，Φs 标灯的光通量已知,由上式便可得到待测灯的光通
量Φx,若测出P灯或U灯、I灯,也可计算出灯的光效 η=Φ/P电
• 测量步骤：
若系统的物像空间介质不同则有:
L'
L
n' n
n’物空间介质的折射率
n 像空间介质的折射率
• 亮度计测量亮度：
1.亮度计工作原理：
光电倍增管受光的作用产生光电流→光电流被放
大器放大后进入仪表→由仪表的刻度与亮度的定标
关系，便可读出其亮度值。
2.亮度计的定标：
对于亮度板
L
M
Is
r2
3.亮度计定标方法： 用光强标准灯照射白色漫射板，改变标准灯和白
2m、3m等 ③球壁上开一小窗口,其直径d∝r(灯的尺寸） ④球上开一个小门,或打开个口方便装取灯,有接线
架、灯头、挡屏等
2.积分球原理：
设光源S直接在球内任一点建立的照度EA，在M处
的照度为EMA处dS发生第一次漫射出度为：M Ea
故由朗伯定律的特性知dS面的光亮度为：
L0 EA /
s
则可适当绕垂直轴转动被测光源,分别测定
相应的光照度，再计算总光通量）
等角度法的缺陷：
球面积不同,80 —90 球带面积大, 0 —10 的球冠
面积最小,S 80
— 90
11S 0
—10
测量误差大，计算复杂
2.等立体角法： 将闭合球面分成N等份,则每个球带的面积为：
S 4 r 2
n
则通过第i条球带的光通量为EiSi故总的光通量为：
• 总的修正公式：
考虑修正因数后总的修正公式为：
x
123
is ix
s
§３-５分布光度计测量光通量的原理和装置
• 分布光度计与积分球的比较：
1.积分球:测试方法简单,但条件限制多,测量误差 大;高功率的光源测总光通量时会将测试
仪 器损坏或烤焦球壁。
2.分布光度计:不论功率多大,发热量多高均可用分 布光度计测量.只是测试装置比较复
因此： 要求灯的最大尺寸不超过球体直径的1/6-1/10
• 球内壁的喷涂：
1.球内壁喷涂白色涂料(硫酸钡或氧化镁)使积分球
具有良好的光谱漫射特性和较小的光谱选择性
2.内壁喷涂方法： ①喷涂前用砂纸去锈、磨光,然后用汽油清洗干净,
如果表面凹凸不平,则用油灰找平并喷上一层白色 无光底漆,最后再喷涂料 ②喷涂时用喷雾器进行喷涂,不用手工喷涂,一般干
①把标准灯装在球心点燃5-10分钟,记下光电流is 后,把电源关掉,取下标灯
②装上待测灯点燃5-15分钟待其稳定后,记下光电 流ix、P灯（U灯、I灯）
③据Φx=(is/ix)·Φs计算出灯的总光通量,并由 η=Φ/P电算出待测灯的光效（注：应多次测量 求
• 注意事项：
1.光通球质量好 2.标灯与待测灯均在额定电压下工作稳定性要好： （频率：50±0.5Hz 电压：220±0.2V） 3.光通量偏离完好性较远应多测几次求平均值(至
少测量3次) ➢ 思考：根据以上要求实际测量时的测量步骤？
§３-４影响积分球测量精度的因素及其修正方法
• 光通球测光源光通量的假定：
1.球内壁是均匀的理想漫射层，服从朗伯定则 2.球内壁各点的反射率相等 3.球内壁白色涂层的漫射是中性的 4.球半径处处相等，球内除灯外无其他物体存在 5.窗口材料是中性的，其E符合照度的余弦定则.实
§３-２积分球实际结构及球内壁的喷涂
• 光通球的实际结构示意图：
(
滤光片
)
光电池
A
S1B来自3r余弦角度补偿器
中性减光片 可变光栏
• 球体的要求：
1.采用不易变形以及不易受环境影响的材料制成 2.球内表面应光滑,力求各处曲率半径相同 3.球的密闭性要好 4.为减小测量误差,灯应安装在球心 5.灯的支架应采用细金属管,里边装电线 （应尽量减少球内部件的件数和部件的体积）
再求和即可得到总的光通量为：
EiSi 即为分布光度计的工作原理
每个球带的面积为:
ds 2lh而h l sind
ds 2l2 sin d
总光通量为：
2l2 E sind
• 计算光通量的几种方法：
等角度系数法、等立体角法、作图法
1.等角度系数法(图如下)以等角度的方法分割球面 第一个球冠的面积为：
光
• 光通量标准灯
1.满足标准灯的条件： ①有一定的强度和光谱能量分布 ②发光稳定 ③具有很好的重复性 ④制备和使用方便
(光通量标准灯的供电监测系统和光强标准灯相同) 2.国产标准灯种类：
BDT、BDP和BDX型
3.使用注意事项： ①标准灯在标定量值前,要按规定在超压5%的情况 下,老练40-50小时,并进行稳定性实验,再经国家计 量部门标定量值后逐级传递到使用部门.低级标灯 稳压供电,高级标灯稳流供电 ②标灯使用过程中要严格按照标准、规则执行,根 据测试要求选用适当级别的标灯,并按规定定期到 计量部门检定。
际情况与理想条件不符合会带来测量误差,故需 修正
• 自吸收产生的误差和修正：
1.待测灯与标灯在光通球里对光通量的吸收不同而 产生误差
2.修正方法： 测修正系数:
α1=装标灯在球心(不点燃)/装待测灯在球心(不点燃)
=is/ix α1—自自吸收系数
• 光谱功率分布不同产生的误差和修正:
1.测光系统的等效光透射比为：T()
1.各种光源的色温相差很大.在测量不同色温光源