光量測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)介紹

光量測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)介紹

一、簡介

    光度測(cè)量（photometry）學(xué)是測(cè)量人眼對(duì)光的響應(yīng)的科學(xué)。

    由于人眼是一個(gè)高度復(fù)雜的器官，這無疑是一個(gè)非常困難的工作。它涉及到多個(gè)學(xué)科，心理學(xué)、生理學(xué)和物理學(xué)等。

1924年，CIE(國際照明委員會(huì))組織會(huì)議定義人眼對(duì)光平均響應(yīng)值，從此光度測(cè)量學(xué)就成為一門現(xiàn)代學(xué)科。該委員會(huì)抽樣測(cè)試了大量人群，將得到的數(shù)據(jù)繪制成明視（photopic）曲線。該曲線表明人眼對(duì)綠光反應(yīng)最敏感，對(duì)紫光和紅光則反應(yīng)較弱。

    實(shí)驗(yàn)表明，在暗視場(chǎng)情況下，人眼有完全不同的響應(yīng)值，在此情況下，人眼也無法辨別顏色。于是，又進(jìn)行了一系列測(cè)試，繪制出了暗視（scotopic）曲線暗視視見函數(shù)。

    有了人眼的光譜響應(yīng)曲線，CIE規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)光源作為光強(qiáng)量測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光源是一特殊的蠟燭，由此得出footcandle和candlepower的定義。為了最大可能的提高重復(fù)性，1948年，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新定義--一定量的金屬鉑融化所發(fā)出的光。

二、基本概念

    光度的基本概念是流明（lumen），是一個(gè)與輻射度（radiometric）中的Watt相關(guān)的概念,關(guān)系如下：

lm=683?W?V(λ)

V(λ)-相對(duì)發(fā)光度，由視見函數(shù)得出的一個(gè)系數(shù)，把人眼在555nm(最靈敏波長)的值規(guī)定為1

兩個(gè)重要的光度學(xué)定理：

1、平方反比定理:連續(xù)光強(qiáng)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(guān)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(cè)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(jīng)計(jì)算獲得。

2、余弦定理：一定面積上的光強(qiáng)，因入射角的不同而隨之變化，這是因?yàn)閷?shí)際投影面積隨入射角的增大成比例的減少。這樣，在環(huán)境照明測(cè)試時(shí)，探頭需要進(jìn)行余弦校正來計(jì)算實(shí)際值。否則，就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差，尤其當(dāng)入射角較小時(shí)，誤差更大。

    光度量測(cè)的主要問題是如何再現(xiàn)人眼對(duì)光譜的響應(yīng)。電子探頭獨(dú)特的響應(yīng)特征完全不同于CIE標(biāo)準(zhǔn)觀者。為此，探頭必須能按光譜校正數(shù)據(jù)。通常有兩個(gè)方法達(dá)到該目的，一是通過不同波長掃描、探測(cè)，二是匹配濾濾光片法。

    掃描法是用單色儀或多通道探測(cè)器來完成測(cè)試，在這種方法里，光源的光強(qiáng)被逐波長的測(cè)試，測(cè)得的數(shù)據(jù)根據(jù)明視視見函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到測(cè)量結(jié)果。由上可見，該技術(shù)需要微處理器，要有一定的掃描精度，因此并不實(shí)用，而且，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜。

光學(xué)濾光片法提供了一個(gè)簡單、經(jīng)濟(jì)的解決方案。因只有一個(gè)光電信號(hào)需要處理，因此一個(gè)單通道的電子處理器即可。近來濾光片設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，以及固體探測(cè)器技術(shù)的提升，提高了該技術(shù)在光度量測(cè)上的正確度。

    濾光片匹配技術(shù)是在探測(cè)器前加一有色濾光鏡（colored-glass filter）,該濾光鏡可以對(duì)不同波長進(jìn)行選擇性衰減，直到符合CIE視見函數(shù)曲線。平面散射的Si光敏二極管，在可見光譜范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng)和極高的靈敏度，因此是理想的光探測(cè)器。使用Si探測(cè)器，再加上先進(jìn)的濾光片設(shè)計(jì)，UDTI公司的光度計(jì)與CIE視見函數(shù)曲線僅有1%的誤差。根據(jù)CIE的統(tǒng)計(jì)，這是最佳的匹配值。

    表示光度量測(cè)探頭性能的一個(gè)非常重要的參數(shù)就是f1′,這是由CIE協(xié)會(huì)定義的一個(gè)數(shù)值，由光度探測(cè)器的平均誤差與CIE視見函數(shù)的比值得該數(shù)值。最高精度------實(shí)驗(yàn)室級(jí)精度的探測(cè)器的f1′<1.5%，一般的應(yīng)用要求f1′<3%。

    需要指出的是，探測(cè)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(cè)器/濾光片的配對(duì)互換。每一個(gè)探測(cè)器都有一個(gè)獨(dú)特的響應(yīng)特征，需要與特定厚度和層數(shù)的濾光片結(jié)合。

    探測(cè)器的響應(yīng)值確定了以后，就要用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移技術(shù)來進(jìn)行校正。標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器由NIST提供。將探測(cè)器/濾光片的配對(duì)定位于一個(gè)光源前，光源要求能夠輸出連續(xù)波長和強(qiáng)度，一般用鹵化鎢燈。這樣，對(duì)被校正探測(cè)器的輸出電信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

    探頭的光響應(yīng)值確定了以后，就可以匹配一個(gè)精密的增益控制電子放大器和數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)。

三、重要術(shù)語

光度量及單位

光通量luminous flux

    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(cè)量要求能夠?qū)⑺械墓饽芰渴占焦馓綔y(cè)器上，對(duì)于發(fā)散光源，如LED、燈源等，光通量的測(cè)量就比較困難，這時(shí)就要用積分球來測(cè)量。

光照度illuminance

    光照度是指單位面積所接受的入射光的量 。在英制單位里，1平方英尺的面積上接受到1個(gè)流明的光通量，定義為1footcandel。公制單位中，每平方米1個(gè)流明為1勒克斯（lux）,10.76lux=1footcandle.

當(dāng)然，探頭不可能有這么大的面積，所以，探頭的面積要相應(yīng)的乘以一定的倍數(shù)。由于探頭的面積不再由被照射的面積決定，因此當(dāng)測(cè)量值超過探頭的測(cè)量范圍或在矯正光學(xué)的后面時(shí)，就要特別注意。

例如，照度測(cè)量時(shí)，經(jīng)常由于光線偏離垂直光軸而造成測(cè)試錯(cuò)誤。這時(shí)，探頭就要配一個(gè)余弦校正器。由于余弦接受器仍然要投影到探頭上，因此，余弦接受器的面積并不是探頭的面積，只是代表測(cè)試面積。

光出射度（luminous exitance）

    光出射度是表征光源自身性質(zhì)的一個(gè)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(cè)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(fā)射會(huì)測(cè)試該值。

光強(qiáng)（luminous intensity）

    光強(qiáng)也是表征光源的性質(zhì)的物理量，是指所有的直射光和發(fā)散光。用均勻發(fā)射到球面角的光通量來表示光強(qiáng)的大小。光強(qiáng)的基本單位是坎德拉（candela）,相當(dāng)于1流明/球面度（lumen/steradian）。

    光強(qiáng)的定義有兩點(diǎn)需要說明，一、該測(cè)量不適用于校正光源；二、對(duì)非均勻發(fā)射源，光強(qiáng)是不確定的。要得到光強(qiáng)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(cè)量的距離，這樣就可以計(jì)算出球面角，用光通量的數(shù)值除以球面角，就得到光強(qiáng)值。

光亮度（luminance）

        如大家所知的亮度（brightness）,光亮度（luminance）也是對(duì)相對(duì)平坦、均勻的平面反射或發(fā)射的光的量測(cè)。測(cè)量時(shí)要考慮到測(cè)試的表面積和觀測(cè)者的視角。

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

    要測(cè)量亮度，必須嚴(yán)格規(guī)定探頭的視場(chǎng)和計(jì)算角度，通常要用到透鏡和反射板（baffle）。實(shí)際上，人眼就相當(dāng)于一個(gè)光亮度計(jì)。

    注意，只要探頭的視場(chǎng)被充滿，探頭與測(cè)試平板之間的距離決定測(cè)量的結(jié)果。這是因?yàn)椋晥?chǎng)大小尺寸和光源的強(qiáng)度與距離成正比函數(shù)關(guān)系。

光度量（luminance energy）

   光度量是指放出的光通量，用流明?秒表示。多用于脈沖光源或閃光光源。

基于時(shí)間的光度量是可以測(cè)量的，如可對(duì)閃光燈在某一方向上的照度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，得到footcandle?秒。

四、如何建立光度測(cè)試系統(tǒng)

    建立一個(gè)光量測(cè)系統(tǒng)需要三步。首先，對(duì)光源進(jìn)行評(píng)估，決定用何種方法進(jìn)行測(cè)試；然后，選擇合適的探測(cè)器及光學(xué)系統(tǒng)（探頭）；最后，為探頭配置電子設(shè)施，以提供應(yīng)用所需的操作界面。

評(píng)估光源

    探測(cè)器對(duì)量測(cè)的正確與否有著非常重要的作用，畢竟光度量測(cè)與人眼對(duì)光的響應(yīng)緊密相關(guān)，因此，首要的問題是，人眼是如何對(duì)被測(cè)的光源進(jìn)行響應(yīng)的。

    比方說，測(cè)量周圍環(huán)境的照明情況，是想知道，人眼在某一范圍上是否可以看清文字或物體，關(guān)心的并不是光源的功率，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(cè)的光度量是照度。

    但是，如果在同樣的房間或空間，希望知道墻、紡織物或印刷品的亮度，需測(cè)的參數(shù)就要改變了，因?yàn)榇藭r(shí)人們所關(guān)心的是反射到人眼的光的量。由于這些表面是散射光，相對(duì)均勻，最好是測(cè)亮度。

    電子顯示，如CRT、電子顯示面板等，發(fā)出的光直接進(jìn)入人眼，由于文字字符和線條細(xì)節(jié)太小，所以測(cè)試系統(tǒng)的視場(chǎng)（F.O.V.）必須進(jìn)行限定，使得只有被照亮的部分可以測(cè)到。這樣，根據(jù)定義，要測(cè)的量就是光亮度（luminance）,因此顯示屏的亮度經(jīng)常用footlambert來表示。

    燈源的應(yīng)用很多，很難用一個(gè)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(chǎng)）的燈源或燈源系統(tǒng)，主要是照度測(cè)試。但是，在汽車的外部照明應(yīng)用中，前燈要測(cè)試照度、尾燈則要測(cè)試亮度。市場(chǎng)上的許多微光源、透鏡光源，由于是發(fā)散光，肯定要測(cè)發(fā)光強(qiáng)度。白熾燈和熒光燈生產(chǎn)廠用光通量（或等量的輻射值Watt）來檢驗(yàn)產(chǎn)品,這是因?yàn)椋鼈兌际枪潭ㄔ谀骋晃恢茫⑸涔猓仨殰y(cè)量它的所有發(fā)射光。

    激光和發(fā)光二極管也需要類似的測(cè)試。在科學(xué)應(yīng)用上，一般測(cè)試輻射參數(shù)，但是，當(dāng)研究它們對(duì)人眼的潛在傷害時(shí)，往往要測(cè)試光通量。透鏡LED雖然是直射光源，但存在發(fā)散角，發(fā)光強(qiáng)度（光強(qiáng)）可以很好地表征該性質(zhì)。對(duì)于表面或邊發(fā)射的LED,很顯然，發(fā)射光是與表面積相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，這時(shí)，就要測(cè)光出射度。

光量測(cè)試用于周期性的光源，脈沖LED、攝影用的閃光單元、閃光燈、弧光燈系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)或掃描燈，光通量都是隨時(shí)間變化的光源。

正確選擇探頭

    測(cè)試類型決定了探頭及附件的選擇。

    在任何測(cè)試中，都要用到Si光敏二極管探測(cè)器（sensor）、探測(cè)器外罩、光度濾光片。在光通量的測(cè)試時(shí)，探頭必須能將所有的入射光聚焦或校正到探測(cè)器上。

    如果，通量超出70lumen/c㎡,就超出了探測(cè)器的極限，輸出的信號(hào)就失去線性。這時(shí)就要對(duì)光進(jìn)行衰減。中性濾光片（ND Filter）、光圈、積分球可達(dá)到該要求。衰減元件的選擇要要根據(jù)衰減值的要求：既不至于超過探測(cè)器的飽和度，又要保證探測(cè)器的響應(yīng)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。

    如果光是垂直入射的，簡單的探測(cè)器、濾光片組合就可以進(jìn)行環(huán)境測(cè)量。但當(dāng)入射光偏離法線時(shí)，如光從窗戶或其它外部光源入射時(shí)，就需要余弦接受器。

    積分球除了在燈源制造業(yè)廣泛應(yīng)用外，對(duì)LED、微光源等發(fā)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(cè)量要對(duì)探頭定義視場(chǎng)，光源的被測(cè)范圍大小和探測(cè)器到被測(cè)物的距離可以計(jì)算出夾角，比較大、近場(chǎng)，簡單的擋板（baffle）,如球面遮光物、光圈將被用到。但對(duì)于較小的圖像，如CRT等，就需要透鏡系統(tǒng)，在一定距離進(jìn)行測(cè)試。UDTI公司提供各種亮度測(cè)試用的透鏡、光學(xué)附件，包括顯微測(cè)試和遠(yuǎn)程測(cè)試。

選擇與應(yīng)用匹配的電子設(shè)備

    卓立漢光采用UDTI公司的光度探頭都是Si光敏二極管，由于尺寸不同，一般輸出為低放大電流信號(hào)，由放大電路的倒數(shù)關(guān)系，電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓輸出，用于不同的應(yīng)用需求。

五、如何定量測(cè)試輻射系統(tǒng)

    選擇一靈敏的探測(cè)器和正確的讀數(shù)設(shè)備，對(duì)于測(cè)試準(zhǔn)確度有著重要的影響。

    探測(cè)器將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后讀取設(shè)備接收到這些信號(hào)，并進(jìn)行處理。校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)會(huì)測(cè)試光源，而且用某一合適的光學(xué)單位顯示出測(cè)試結(jié)果。

    其顯示單位應(yīng)根據(jù)各自的特性來選擇，且探測(cè)器的選擇應(yīng)考慮測(cè)量范圍、波長計(jì)算、及尺寸等因素。兩個(gè)相匹配的探測(cè)器及準(zhǔn)確的測(cè)試單位，能精確測(cè)試光源。

光源因素：

    正如前面“重要參數(shù)”中介紹的一樣，光源特性由不同單位反映出來。

    平行光源，如激光，其特性用“光通量”來測(cè)試。一束光截面積大于探測(cè)器本身時(shí)，可以用能量強(qiáng)度（光照度）來描述，單位w/cm2.積分球可以測(cè)量光通量，其目的是將強(qiáng)的激光束“稀釋”成為弱光使其達(dá)到探測(cè)器可以測(cè)量的范圍。

    電光源，如發(fā)光二級(jí)管的特性可以由光強(qiáng)度來描述，可以反映出空間散射的不同。這種測(cè)試可以簡單實(shí)現(xiàn)，用一個(gè)狹縫和擋板來確定探測(cè)器接收角度。測(cè)試過程應(yīng)保證光對(duì)探測(cè)器的入射角度一致。這與探測(cè)器的面積及離光源的遠(yuǎn)近有關(guān)。電光源也可以用光通量來定義，用它來描述光源的輻射，測(cè)試過程可以借助整體球來實(shí)現(xiàn)。

    均一的擴(kuò)展光源如日光燈可以用光通量或光亮度來描述。

    均一的擴(kuò)展平行光源，如LCD,最好用光亮度來描述。

能量測(cè)試:

    測(cè)試脈沖光源要考慮特殊因素。光學(xué)能量的標(biāo)準(zhǔn)單位為焦耳。能量測(cè)試時(shí)對(duì)信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)的積分。若用硅或鍺探測(cè)器來測(cè)試脈沖信號(hào)能量，則需要考慮探測(cè)器的尖峰效應(yīng)，探測(cè)器飽和會(huì)呈現(xiàn)出非線性變化，從而產(chǎn)生測(cè)量錯(cuò)誤。

波長及光學(xué)濾波器:

    光學(xué)濾波器可以允許某些波長的光通過，而濾除其他光波。波器可以用來調(diào)節(jié)探測(cè)器的響應(yīng)，起到限制帶通以及與期望反饋回路的匹配，或按某一比例衰減光能量，許多濾波器是為與特定探測(cè)器而精心設(shè)計(jì)的。一些濾波器和探測(cè)器組合必須要校準(zhǔn)以保證測(cè)試的準(zhǔn)確度。

    一探測(cè)器/濾波器組合，達(dá)到均一的響應(yīng)，是非常必要的，尤其是測(cè)量寬帶光源、峰值波長不確定、或其他情況。Graseby Optronics新的均勻?yàn)V波器能準(zhǔn)確測(cè)試從450nm~1000nm波長的光波，誤差小于±5%。

    探測(cè)器/濾波器組合，若是僅允許特殊帶寬的光波通過時(shí)，適合測(cè)試弧光燈的波峰分布，可見光，或其他特殊光譜成分。

    窄帶通濾波器常用于測(cè)量激光器的能量測(cè)試。這種濾波器/探測(cè)器組可以保證只有從激光器發(fā)出的、單一的波長到達(dá)探測(cè)頭的表面。

    對(duì)于具體的探測(cè)器，一個(gè)重要的因素需要考慮，就是你要測(cè)試光的強(qiáng)度有多大，另外還波長范圍，能量處理能力。

硅和鍺作為光測(cè)量物質(zhì)：

    鍺和硅非常適合用來測(cè)時(shí)光信號(hào)。這些物質(zhì)通過光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。在探測(cè)器的輸入范圍內(nèi)電磁波的轉(zhuǎn)換及探測(cè)器反映是線性的。