光量测基础知识

1、光量测基础知识一、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

2、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（入）V（入-）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

3、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

4、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

5、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fl 1.5%一般的应用要求 fl 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

6、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

7、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

8、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 exitanee)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/卅表示，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(can de，相当于 1 流明/球面度(lumen/s

9、teradiar)。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/tf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

10、。(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footca ndle?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

11、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。

12、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

13、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（sen so）、探测

14、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 m2,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

15、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

16、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

17、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 Optro nics 新的