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光量测基础知识介绍

光量测基础知识介绍


一、简介
    光度测量(photometry)学是测量人眼对光的响应的科学。
    由于人眼是一个高度复杂的器官,这无疑是一个非常困难的工作。它涉及到多个学科,心理学、生理学和物理学等。
    1924年,CIE(国际照明委员会)组织会议定义人眼对光平均响应值,从此光度测量学就成为一门现代学科。该委员会抽样测试了大量人群,将得到的数据绘制成明视(photopic)曲线。该曲线表明人眼对绿光反应最敏感,对紫光和红光则反应较弱。
    实验表明,在暗视场情况下,人眼有完全不同的响应值,在此情况下,人眼也无法辨别颜色。于是,又进行了一系列测试,绘制出了暗视(scotopic)曲线暗视视见函数。
    有了人眼的光谱响应曲线,CIE规定了标准光源作为光强量测的标准。第一个标准光源是一特殊的蜡烛,由此得出footcandle和candlepower的定义。为了最大可能的提高重复性,1948年,对标准进行了重新定义--一定量的金属铂融化所发出的光。

二、基本概念
    光度的基本概念是流明(lumen),是一个与辐射度(radiometric)中的Watt相关的概念,关系如下:
lm=683·W·V(λ)
    V(λ)-相对发光度,由视见函数得出的一个系数,把人眼在555nm(最灵敏波长)的值规定为1
两个重要的光度学定理:
1、平方反比定理:连续光强光源在光接受表面的照度(illumination)与光源到接受表面距离之间的关系, 即,照度值与该光源到接收面之间的距离的平方成反比。因此,理想的照度测量必须要能精确控制距离的大小,如果某光源在某一距离的照度值已知,除非其他条件影响,任何距离的照度都可以经计算获得。
2、余弦定理:一定面积上的光强,因入射角的不同而随之变化,这是因为实际投影面积随入射角的增大成比例的减少。这样,在环境照明测试时,探头需要进行余弦校正来计算实际值。否则,就会产生相当大的误差,尤其当入射角较小时,误差更大。
    光度量测的主要问题是如何再现人眼对光谱的响应。电子探头独特的响应特征完全不同于CIE标准观者。为此,探头必须能按光谱校正数据。通常有两个方法达到该目的,一是通过不同波长扫描、探测,二是匹配滤滤光片法。
    扫描法是用单色仪或多通道探测器来完成测试,在这种方法里,光源的光强被逐波长的测试,测得的数据根据明视视见函数进行计算,得到测量结果。由上可见,该技术需要微处理器,要有一定的扫描精度,因此并不实用,而且,价格昂贵,操作复杂。
光学滤光片法提供了一个简单、经济的解决方案。因只有一个光电信号需要处理,因此一个单通道的电子处理器即可。近来滤光片设计技术的改进,以及固体探测器技术的提升,提高了该技术在光度量测上的正确度。
    滤光片匹配技术是在探测器前加一有色滤光镜(colored-glass filter),该滤光镜可以对不同波长进行选择性衰减,直到符合CIE视见函数曲线。平面散射的Si光敏二极管,在可见光谱范围内具有良好的线性响应和极高的灵敏度,因此是理想的光探测器。使用Si探测器,再加上先进的滤光片设计,UDTI公司的光度计与CIE视见函数曲线仅有1%的误差。根据CIE的统计,这是最佳的匹配值。
    表示光度量测探头性能的一个非常重要的参数就是f1′,这是由CIE协会定义的一个数值,由光度探测器的平均误差与CIE视见函数的比值得该数值。最高精度------实验室级精度的探测器的f1′<1.5%,一般的应用要求f1′<3%。
    需要指出的是,探测器与滤光片之间的匹配是非常精密的,一旦匹配完成之后,就不能与其他的探测器/滤光片的配对互换。每一个探测器都有一个独特的响应特征,需要与特定厚度和层数的滤光片结合。
    探测器的响应值确定了以后,就要用标准转移技术来进行校正。标准探测器由NIST提供。将探测器/滤光片的配对定位于一个光源前,光源要求能够输出连续波长和强度,一般用卤化钨灯。这样,对被校正探测器的输出电信号与标准探测器的信号进行对比。
    探头的光响应值确定了以后,就可以匹配一个精密的增益控制电子放大器和数据读出系统


三、重要术语
光度量及单位

光通量luminous flux
    光通量的单位是流明(lumen),是光度量的基本单位,表示可见光源所有的光输出量。因此,光通量的测量要求能够将所有的光能量收集到光探测器上,对于发散光源,如LED、灯源等,光通量的测量就比较困难,这时就要用积分球来测量。
光照度illuminance
    光照度是指单位面积所接受的入射光的量 。在英制单位里,1平方英尺的面积上接受到1个流明的光通量,定义为1footcandel。公制单位中,每平方米1个流明为1勒克斯(lux),10.76lux=1footcandle.
当然,探头不可能有这么大的面积,所以,探头的面积要相应的乘以一定的倍数。由于探头的面积不再由被照射的面积决定,因此当测量值超过探头的测量范围或在矫正光学的后面时,就要特别注意。
例如,照度测量时,经常由于光线偏离垂直光轴而造成测试错误。这时,探头就要配一个余弦校正器。由于余弦接受器仍然要投影到探头上,因此,余弦接受器的面积并不是探头的面积,只是代表测试面积。
光出射度(luminous exitance)
    光出射度是表征光源自身性质的一个物理量。光源的光通量除以光源的面积就得到光源的光出射度值。光出射度用lumen/㎡表示,但与照度测试和lux不同,光出射度中的面积是指光源的面积,而不是被照射的面积。平板发射会测试该值。
光强(luminous intensity)
    光强也是表征光源的性质的物理量,是指所有的直射光和发散光。用均匀发射到球面角的光通量来表示光强的大小。光强的基本单位是坎德拉(candela),相当于1流明/球面度(lumen/steradian)。
    光强的定义有两点需要说明,一、该测量不适用于校正光源;二、对非均匀发射源,光强是不确定的。要得到光强值,必须知道探头的面积(或由探头前面的光圈决定的面积)和测量的距离,这样就可以计算出球面角,用光通量的数值除以球面角,就得到光强值。
光亮度(luminance)
        如大家所知的亮度(brightness),光亮度(luminance)也是对相对平坦、均匀的平面反射或发射的光的量测。测量时要考虑到测试的表面积和观测者的视角。
    光亮度可以看作是每单位面积的光强,所以在光量度单位中用candela/㎡表示,但是许多其他的定义也应用到该测量中,一些单位是用来测圆形面积,而不是方形。(见光度量单位表)
    要测量亮度,必须严格规定探头的视场和计算角度,通常要用到透镜和反射板(baffle)。实际上,人眼就相当于一个光亮度计。
    注意,只要探头的视场被充满,探头与测试平板之间的距离决定测量的结果。这是因为,视场大小尺寸和光源的强度与距离成正比函数关系。
光度量(luminance energy)
   光度量是指放出的光通量,用流明·秒表示。多用于脉冲光源或闪光光源。
基于时间的光度量是可以测量的,如可对闪光灯在某一方向上的照度对时间进行积分,得到footcandle·秒。
四、如何建立光度测试系统
    建立一个光量测系统需要三步。首先,对光源进行评估,决定用何种方法进行测试;然后,选择合适的探测器及光学系统(探头);最后,为探头配置电子设施,以提供应用所需的操作界面。
评估光源
    探测器对量测的正确与否有着非常重要的作用,毕竟光度量测与人眼对光的响应紧密相关,因此,首要的问题是,人眼是如何对被测的光源进行响应的。
    比方说,测量周围环境的照明情况,是想知道,人眼在某一范围上是否可以看清文字或物体,关心的并不是光源的功率,而是在该块面积被照亮的程度如何。由此可见,无论是室外,还是办公室、工厂,要测的光度量是照度。
    但是,如果在同样的房间或空间,希望知道墙、纺织物或印刷品的亮度,需测的参数就要改变了,因为此时人们所关心的是反射到人眼的光的量。由于这些表面是散射光,相对均匀,最好是测亮度。
    电子显示,如CRT、电子显示面板等,发出的光直接进入人眼,由于文字字符和线条细节太小,所以测试系统的视场(F.O.V.)必须进行限定,使得只有被照亮的部分可以测到。这样,根据定义,要测的量就是光亮度(luminance),因此显示屏的亮度经常用footlambert来表示。
    灯源的应用很多,很难用一个光度量来表示。如前所提到的,用于空间照明(如,房间、街道体育场)的灯源或灯源系统,主要是照度测试。但是,在汽车的外部照明应用中,前灯要测试照度、尾灯则要测试亮度。市场上的许多微光源、透镜光源,由于是发散光,肯定要测发光强度。白炽灯和荧光灯生产厂用光通量(或等量的辐射值Watt)来检验产品,这是因为,它们都是固定在某一位置,散射光,必须测量它的所有发射光。
    激光和发光二极管也需要类似的测试。在科学应用上,一般测试辐射参数,但是,当研究它们对人眼的潜在伤害时,往往要测试光通量。透镜LED虽然是直射光源,但存在发散角,发光强度(光强)可以很好地表征该性质。对于表面或边发射的LED,很显然,发射光是与表面积相关的函数关系,这时,就要测光出射度。
光量测试用于周期性的光源,脉冲LED、摄影用的闪光单元、闪光灯、弧光灯系统、旋转或扫描灯,光通量都是随时间变化的光源。

正确选择探头
    测试类型决定了探头及附件的选择。
    在任何测试中,都要用到Si光敏二极管探测器(sensor)、探测器外罩、光度滤光片。在光通量的测试时,探头必须能将所有的入射光聚焦或校正到探测器上。
    如果,通量超出70lumen/c㎡,就超出了探测器的极限,输出的信号就失去线性。这时就要对光进行衰减。中性滤光片(ND Filter)、光圈、积分球可达到该要求。衰减元件的选择要要根据衰减值的要求:既不至于超过探测器的饱和度,又要保证探测器的响应灵敏度和动态范围。
    如果光是垂直入射的,简单的探测器、滤光片组合就可以进行环境测量。但当入射光偏离法线时,如光从窗户或其它外部光源入射时,就需要余弦接受器。
    积分球除了在灯源制造业广泛应用外,对LED、微光源等发散光源也十分有用。它可以确保插入积分球入口的光源的所有光被收集起来。
    亮度的测量要对探头定义视场,光源的被测范围大小和探测器到被测物的距离可以计算出夹角,比较大、近场,简单的挡板(baffle),如球面遮光物、光圈将被用到。但对于较小的图像,如CRT等,就需要透镜系统,在一定距离进行测试。UDTI公司提供各种亮度测试用的透镜、光学附件,包括显微测试和远程测试。
选择与应用匹配的电子设备
    卓立汉光采用UDTI公司的光度探头都是Si光敏二极管,由于尺寸不同,一般输出为低放大电流信号,由放大电路的倒数关系,电流信号转化为电压输出,用于不同的应用需求。

五、如何定量测试辐射系统
    选择一灵敏的探测器和正确的读数设备,对于测试准确度有着重要的影响。
    探测器将电磁波信号转化为电信号,然后读取设备接收到这些信号,并进行处理。校准测试系统会测试光源,而且用某一合适的光学单位显示出测试结果。
    其显示单位应根据各自的特性来选择,且探测器的选择应考虑测量范围、波长计算、及尺寸等因素。两个相匹配的探测器及准确的测试单位,能精确测试光源。
光源因素:
    正如前面“重要参数”中介绍的一样,光源特性由不同单位反映出来。
    平行光源,如激光,其特性用“光通量”来测试。一束光截面积大于探测器本身时,可以用能量强度(光照度)来描述,单位w/cm2.积分球可以测量光通量,其目的是将强的激光束“稀释”成为弱光使其达到探测器可以测量的范围。
    电光源,如发光二级管的特性可以由光强度来描述,可以反映出空间散射的不同。这种测试可以简单实现,用一个狭缝和挡板来确定探测器接收角度。测试过程应保证光对探测器的入射角度一致。这与探测器的面积及离光源的远近有关。电光源也可以用光通量来定义,用它来描述光源的辐射,测试过程可以借助整体球来实现。
    均一的扩展光源如日光灯可以用光通量或光亮度来描述。
    均一的扩展平行光源,如LCD,最好用光亮度来描述。
能量测试:
    测试脉冲光源要考虑特殊因素。光学能量的标准单位为焦耳。能量测试时对信号在一段时间内的积分。若用硅或锗探测器来测试脉冲信号能量,则需要考虑探测器的尖峰效应,探测器饱和会呈现出非线性变化,从而产生测量错误。
波长及光学滤波器:
    光学滤波器可以允许某些波长的光通过,而滤除其他光波。波器可以用来调节探测器的响应,起到限制带通以及与期望反馈回路的匹配,或按某一比例衰减光能量,许多滤波器是为与特定探测器而精心设计的。一些滤波器和探测器组合必须要校准以保证测试的准确度。
    一探测器/滤波器组合,达到均一的响应,是非常必要的,尤其是测量宽带光源、峰值波长不确定、或其他情况。Graseby Optronics新的均匀滤波器能准确测试从450nm~1000nm波长的光波,误差小于±5%。
    探测器/滤波器组合,若是仅允许特殊带宽的光波通过时,适合测试弧光灯的波峰分布,可见光,或其他特殊光谱成分。
    窄带通滤波器常用于测量激光器的能量测试。这种滤波器/探测器组可以保证只有从激光器发出的、单一的波长到达探测头的表面。
    对于具体的探测器,一个重要的因素需要考虑,就是你要测试光的强度有多大,另外还波长范围,能量处理能力。
硅和锗作为光测量物质:
    锗和硅非常适合用来测时光信号。这些物质通过光电效应将光信号转化为电信号。在探测器的输入范围内电磁波的转换及探测器反映是线性的。

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