光辐射测量原理与技术

第三章光通量及亮度的测量§3-7理想积分球原理及光通量标准灯理想积分球的条件：积分球的内表面为一完整的几何球面，半径处处相等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：积分球（光通球或球形光度计）结构：内部空的完整球壳，内壁涂白色的漫射层球直径按待测灯尺寸和功率大小而定，直径D=1m、2m、3m等球壁上开一小窗口，其直径dxr（灯的尺寸）球上开一个小门，或打开个口方便装取灯，有接线架、灯头、挡屏积分球原理：设光源S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：故由朗伯定律的特性知dS面的光亮度为：M=pEL0故由朗伯定律的特性知dS面的光亮度为：M=pEL0=pEJ兀L7L-ds(AM/2)2L-ds2=XAM^•C0S2=TAM2'^=TTT上式代入得:整个球面发生一次漫射在M处建立的二次照度为：气=,吧=急JEgs=芸*类似分析为：二次漫射光线在M处建立的照度为：dE=pEds/4kr2—E=jdE=—^jEds=pE32334kr222同理：E4=pE3=p2E2E5=pE4=p2E3=p3E2则冲点的总照度Em为:E=E+E+E+……=E+E(1+p+p2+……)M12312TE=E+-^E=E+-^・-^=E+EM11-p211-p4kr21p故用小挡屏挡住S直接射向M点的光线时，则E1=0TEm=Ep=i-p'盖t"=峭4Kr2Ep上式中r、p均为常数，球壁上任何位置的E与光源S的总光速量①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速量中总。原理：标准光源的光速量已知④S,EpS可测得，在待测光源的EpX测得后，即可用相对比较法测得待测光源的④总即为球形光度计测量光源总光速量的原理。光速量标准灯满足标准灯的条件:有一定的强度和光谱能量分布发光稳定具有很好的重复性制备和使用方便（光通量标准灯的供电监测系统和光强标准灯相同）国产标准灯种类：BDT、BDP和BDX型；各灯光电参数见书本P26面使用注意事项：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，并进彳亍稳定性实验，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，高级标灯稳流供电标灯使用过程中要严格按照标准、规则执彳亍，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。§3-2积分球实际结构及球内壁的喷徐光通球的实际结构示意图：可变光栏可变光栏球体的要求：采用不易变形以及不易受环境影响的材料制成球内表面应光滑，力求各处曲率半径相同球的密闭性要好为减小测量误差，灯应安装在球心灯的支架应采用细金属管，里边转电线（应尽量减少球内部件的件数和部件的体积）挡屏的放置：挡屏的中心在球心与窗口的中心连线上，离球心1/3r处设光源的最大尺寸为2b,窗口的直径为2a,挡屏的半径为d如下图所示有:则有：2c3'、22”、—c=_(b-a)—d=a+_(b-a)b-ar33分析：bffdffSABf、scdff测量误差f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：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和较小的光谱选择性内壁喷涂方法：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，最后再喷涂喷涂时用喷雾器进彳亍喷涂，不用手工喷涂，一般干一层喷一层，每层厚度为1.5-1.5mm之间，喷10次以上测量前准备工作：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速量原理：装标灯在球心：片8pE—-ps而r21-p①装待测灯在球心：E-土工px4兀r21-p②由①/②得：e/e=8/8—8=4。psf——.厂一8—项g8..I—若探测器在线性范围内工作，1XE则有Y》.gsis、ix分别为标灯和待测灯s的电流可测出，es标灯的光速量已知，由上式便可得到待测灯的光速量0x,若测出P灯或U灯、I灯可计算出灯的光效q=0/P电测量步骤：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）据④x=（is/ix）・es计算出灯的总光速量，并由n=e/P电算出待测灯的光效（注：应多次测量求平均值）注意事项：光通球质量好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）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：球内壁是均匀的理想漫射层，服从朗伯定则球内壁各点的反射率相等球内壁的白色涂层的漫射是中性的球半径处处相等，球内除灯外无其他物体存在窗口材料是中性的，其E符合照度的余弦定则实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：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修正方法：测修正系数：。1=装标灯在球心（不点燃）/装待测灯在球心（不点燃）=is/ix%—自自吸收系数

光谱功率分布不同产生的误差和修正:测光系统的等效光透射比为：T=T.%）（M）（M）1-0（人）标灯与待测灯的透射率p（入）也不同而产生测量误差修正方法：测修正系数：=｛：P瞬产(=｛：P瞬产(X)•dd「p.T.s.dX0se)n)n)Pp~~.T.s.dX0x(X)(X)(X)色温差产生的误差和修正：各种光源的色温相差很大，在测量不同色温光源时加上V（入）修正滤光片以使测量结果达到一定精度，在高精度测量时，需对测量结果进彳亍修正即为色修正修正方法：测修正系数:J780P.V.d「P.T.S.da=p380x(X)(X)X.0s(X)(X)(X)X31780p.V.dkp.T.S.d380'(X)(X)X0x(X)(X)(X)X总的修正公式：8=aaa.'.©x123isx考虑个修正因数后总的修正公式为：一一一II=aaa•工・。123is§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：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速量时会将测试仪器损坏或烤焦球壁。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杂，价格高.（测试时间由于引入了计算机已得到了改善）工作原理：由光速量定义有：△④=I・△Q=E・△▲故只要测出在△▲面积上的光照度E,在乘以AA,即可求得点光源在单位立体角内光速量的大小。设想一闭合球面包围光源，将球面分割成若干面积元Si、S2、S3测出各个面积元上对应的照度Ei、E2、E3求出各个面元上的光速量为EiSi、E2S2、E3S3再求和即可得到总的光速量①=】EjSi即为分布光度计的工作原理每个球带的面积为：ds=2冗lh而h=冗l•sin0dO

Tds—2兀12•sin0dO总光速量为：0—2k12fEsin0dO

计算光速量的几种方法：等角度系数法、等立体角法、作图法等角度系数法(图如下):S=2兀12(1-cos0)以等角度的方法分割球面，第一个球冠的面积为：11第二个球冠的面积为：S-2丸12(cos0-cos0)第i个球带的面积为：S—2兀12(cos0,-cos0,)则总的光速量为：。-2丸12£E(cos0一cos0)ii-1iEj计算方法：

一般①2。（cosOi—i-cosei）为球带系数，可每隔10°或20°进彳亍分度先将球带系数计算出来,一般以5°和10°进彳亍分度②照度可用照度计在（Oi—i-Oi）/2位置测量出照度，称为OiT-Oi的平均照度；也可测量Oi-i和Oi处的照度Ei—i和Ei,再求两者的平均值，即（Ei-1-Ei）/2作为平均照度（注：以上求法是光源光强分布是轴对称的，否则可适当绕垂直轴转动被测光源，分别测定相应的光照度，再计算总光速量）等角度法的缺陷：0O—10。s球面积不同，80090。球带面积大，00—100的球冠面积最小，0O—10。测量误差大，计算复杂等立体角法：将闭合球面分成N等份，则每个球带的面积为：2

△S=4AL2/n则通过第i条球带的光速量为EjSj故总的光速量为：0=(4nL2/n)«ZEi(n=10、20、30Ej计算方法:将每个球带再分成两等份，在等分线上测量球带的照度，作为每个球带的平均照度，关键在求角度a求测量方向角度a（平分线角度）:第i个球带的面积为：S=2兀12(cos0-cos9)=4兀12/n—cos9-cos9=2/nii-1ii-1iQcos9=1一——cos。-cosa12i—1—cos以,=cosU,_—=1—分布光度计：种类：立式（见书P36图）和卧式分布光度计常用全自动控制分布光度计：可测量光源的总光速量,还测量任一截面内光源在各个方向上的发光强度分布（即光源的酉己光曲线）§3-6亮度的测量及紫外线亮度的测量透镜成像光亮度的确定：’当S,S远小于L],L2由S发射并通过透镜的光速量为：

。=LASt/12在S上产生的照度为：E=E=。/S=LASt/12S'LAtS

.——S'由图知：S12S12——=4—S'121E=lat12LAt12~1T•六in'若系统的物像空间介质不同则有:L=tLg—若系统的物像空间介质不同则有:nn、n分别为物、像空间介质亮度计测量亮度:亮度计工作原理：光电倍增管受光的作用产生光电流f光电流被放大器放大后进入仪表f由仪表的刻度与亮度的定标关系，便可读出其亮度值。亮度计的定标：对于亮度板L=—=^L-兀兀r2亮度计定标方法：用光强标准灯照射白色漫射板，改变标准灯和白板的距离L,可以得到一系列光亮度值，由不同光亮度值对仪表进彳亍分度，即为亮度计的定标.注意事项：在定标前，必须进彳亍调整，其调整方法和光强测量方法相同，切误让杂散光进入亮度计的接受装置，以免产生误差5.亮度计的作用：测量光源的亮度和显像屏幕的照明效果

紫外辐射量的测量:紫外接受器的选择：必须选用对紫夕卜灵敏的光电或热电探测器作为接受器紫外辐射照度的测量与光照度测量的区别：测试装置不同计量单位不同定标用的计量标准不同紫外辐射量的测量方法：光电法、生物法、光化学效应法紫外辐射照度计的接受器及各接受器的光谱响应度范围：①选择性接受器：紫敏光电池、发光二极管、光电管、光电倍增管SH2光电倍增管(160-870nm)SH2光电倍增管(160-870nm)光谱响应度范围：GD-5真空光电管(180-600nm)SH2光电倍增管(160-870nm)SH2光电倍增管(160-870nm)光电转换器*光电转换器无选择性接受器：热电偶、热敏电阻接受器均200-400nm的紫外线区内均有很好的响应紫外辐射照度计的定标：光电转换器*光电转换器①按图装置好器材，使L>10r(r-辐射源线度)通带滤光片可变光栏②在不同的l（距离）下，测量计算下列有关物理量纪录如下：L1L2L3紫外辐射照度计i值i1i2i3绝对辐射功率值P1P2P3辐射照度E=P/AE1E2E3