光辐射测量原理与技术-光强和照度的测量

其次章光强和照度的测量§２-１光强基准与光强标准灯作为光强单位的基准器应满足的条件:１.具有确定的强度和光谱功率分布２.具有很好的重复性，长时间点燃其光强数值保持不变３.制备及使用便利光强基准根本单位的演化历史:１.早期基准:蜡烛→卡塞尔灯〔1800〕→尖头钠灯(1884-1940２.白炽体基准和“小数”基准３.临时“国际烛光”４.黑体基准和烛光５.烛光变成坎德拉10Hz1.坎德拉的定光源发出频率为54×10Hz1/683w/Sr1〔cd)光强基准(次级基准)—副基准灯和工作基准灯组成１.次级基准的作用:由副基准灯保存量值，再通过工作基准灯向下进展量值传递２.我国选用光强标准灯系列中的BDQ7和BDQ8作为副级基准灯和工作基准灯３.光强标准灯的外形:圆柱形、正圆锥形、斜圆锥形、圆球形等我国承受圆球形4.作为标准灯的首要条件是:稳定性要好—即每次燃点时应保持同样的光强真空泡量值波动为：±(0.2-0.5)%充气泡量值波动为：±(0.4-1)%5.光强标准灯的使用及其要求：①灯泡质量要好:泡壳应无色透亮,无泛碱、发雾和波浪、气泡等缺陷，发光要稳定〔注：制标准灯发光不稳定应老练到全寿命的10550-80小时〕②供电电源精度高〔稳定性好—常用直流供电电源〕③标准灯点燃时应渐渐点亮，在稳定电流〔电压〕下预热真空泡5分钟左右，充气泡预热10④测量时应常常更换极性〔每小时换一次。标准灯在使用30-60小时后，要用上一级标准灯重定标，假设使用时间少于这个值，经一年后应重定标§２-2光度学测光强方法：目视法〔主观测量法〕光电法〔客观测量法〕目视光度计的制作原理：目视法主要利用人的眼睛对光敏感强，它能准确推断相邻二个外表的亮度是否一样。目视光度计就是基于之一特点而制成的。目视法测量的要求：100K目视光度计的工作原理：构造与原理:如图L1L2为二个光源,L1光强,L2待测光源,DMgOBaSO4)M1M2为反射镜或放射棱镜，P为光头,使L1L2DE内造成两个相邻的像.LL(C)2L(S)1DM M2 1PE光度头P的构造及原理:光度头由二个直角棱镜胶合而成—称为陆末-布洛洪(LummerBrodhum)棱镜，其中一个棱镜沿斜面刻出一个不太深的凹陷图梯图中Ａ的位置.这样由SM1来的光线直接透过立方体,射到目镜上,在刻出图案的ASM2来的光线在A处被反射到目镜上,其余局部的光线则透出立方体,因而在目镜内形成二个互不干扰的相邻的像,如图(b)中打斜线的表示来自一个光源，而其余局部则来自另一光源．目视法测光强：按图将L1L2和Ｄ均放在光具座上，在定色温的同时，转变L1和L2与漫射屏D离,使漫射屏两侧的照度一样(此时图内二个视线的界限消逝),假设L1L2近似为点光源,则由距离平方反比定律有:EE I

/r2I

/r2I

Ir

/r2G1AG1ASM1AA目镜EG2SM2留意:

1 1 2

2 1 2 1目视法作光度测量便利,但只能对同色温灯比较时精度高,异色温误差较大.测量时的照度为20-30lx，过高、过低均影响测量精度。可同时定色温存测光强。§２-3光电池的工作原理与特性：工作原理:光生伏效应〔内光电效应:物质受光照耀会产生很大的变化)最大特点是:不需外加工作电压光电池的漂移现象：漂移现象:光电池在长期遮盖以后暴露在光线照耀下时,当受照面的照度不变时,在最初一段时间里光电池电流是渐渐变化的,有时上升有时下降;当照耀一段时间后趋于稳定,这种现象称为光电池的漂移现象漂移现象的影响因素：①受光面的照度:照度↑→漂移↑;照度↓→漂移↓②不同颜色的光入射到光电池上时,漂移现象也不同③漂移现象随光电池所处的温度的转变而转变光电池的积分灵敏度：定义:探测器光电流的输出值ip与入射到探测器上的光通量Φ之比称之为光电池的积分灵敏度用S公式: Si /p单位:μA/lm光电池的直线性和测量电路：1.硒光电池的等效电路及通过电流表的电路电流(测量电流)当有光通入射时,形成电流:而 Sip

/ip

S ip

ii1 2r r又由右电路图知: i/i1 2

(ip

i)/i2

R/r i 2

Rrip

S

RrR→mini2和Φ成线性关系2.测量电路：Se光电池的电流iΦ具有很好的线性关系的最正确方法；尽量承受外回路内阻小的电测仪表，在精度要求不高的状况下，可用低内阻0.5级微安表测量;高精度测量时,可用多量程检流计或i-V0i2的测量原理:当光照耀Se光电池时,按下开关K,流过G

i与i”

向,调整R3,使

i

”由电路图知：当R =R2 1

时，i? i2

G G G G用毫安表测出i，由上式便可计算出i2：iR2

(ii2

)R i2

R2(RR)21 23.作周密测量时的有用电路：当光照耀Se光电池时,按下补偿电路中的开关K,调

R、R、R 节使

”i G2的读数i2，便是通过光电池的光电流i2光电池的光谱响应度分布：

1 2 3 G G3.光电池使用要求:使用前应在允许的照度范围内曝光几个小时以上,经足够的时间老化后,待其响应趋于稳定再正式用于光度测量。定义:光电池对不同波长的入射光响应度不一样,将响应度按波长排列所画成的曲线光电池的光谱响应度分布;通常将响应度曲线的最大值定为1,求出其它响应度对这一最大值的相对值,将其绘成的曲线称为相对光谱响应度分布用S〔λ〕3.光电池使用要求:使用前应在允许的照度范围内曝光几个小时以上,经足够的时间老化后,待其响应趋于稳定再正式用于光度测量。由图知:在光电池的前面加上V(λ)修正滤光片后,它的光谱响应度分布S〔λ〕与光谱光视效率V(λ)很接近光电流的输出值与余弦定则的偏离:光电流的余弦定则：当有光线斜射向光电池时有:假设

E E 0

cos iE则 i2()

i2(0)

cos测量的光电流与余弦定则的偏差:

i2()测

i2(0)

cos§２-４光电法测量光强光电法测量中的光电接收器:1.光电接收器的光谱灵敏度与人眼要全都:①常用硒(Se)光电池或硅(Si)光电池作光电承受器②为使光电池的S〔λ)与人眼的光谱光视效率V(λ)很接近,在光电池的前面加上V(λ)修正滤光器与光电池组合使用即可２.V(λ)修正滤光器种类:①固体滤光器:由LB6和LB16组成.其特点是:性能稳定,光谱透射比不转变,可以长时间使用,但配制不简洁.②液体滤光器:它是几种盐配成厚度为10mm的水溶液.其特点是:可通过调整水溶液的浓度对光电池进展修正,但光谱透射比不稳定,易受温度变化而使浓度转变,使用不便．配方一：重铬酸钾0.06-0.09g硫酸铵钴1-3g配方一：重铬酸钾0.06-0.09g硫酸铵钴1-3g氯化铜3-6g蒸馏水100ml配方二:重铬酸钾0.05-0.07g硫酸铵钴5-7g蒸馏水100ml4.V(λ)修正滤光片的光谱透过率τ(λ):

()

S()

K

()S(λ)-硒(Se)光电池的光谱灵敏度K－比例常数光电法测光强的方法与步骤：示意图如下：滤光片s光电池e〔〕LLsxrsrx测量原理：Ls照耀硒(SeEs

I /r2s s

电流表的读数为A,Lx照耀硒(Se)光电池时有Ex

I /r2x x电流表的读数A‘,假设A”A则有EsEx即 I /r2I /r2 → I I(r/r)2s s x x x s x s3.测量步骤:①按1中的示意图装好器材②让Ls照耀硒(Se)光电池,登记光电流读数A,此时的照度为:

E Is

/r2s180°,让Lx照耀硒(Se)光电池调整rxA,此时的照度为: Ex

I /r2x xIx

I(rs

/r)2 计算出Ixs4.留意事项:①Ls、Lx、V(λ)修正滤光片、Se光电池的光心在同始终线上②rS≥10Lsrx≥10Lx③Ls、Lx灯在额定电压下工作④测量时灯应先通电5-15分钟，光电池半小时漂移至稳定后读数5.光电法测量的特点：①比目视法精度高，仪器适当精度可达0.1%②测量同色温光源也可测量异色温光源的光强③测量时间短，使用便利④不能定色温测量结果的修正：因加V(λ)修正滤光片后Se光电池S(λ)与V(λ)接近但仍有偏离对异色温光源测量时要进展修正，经修正后有：E dE (i/i)x S x s修正系数

780d 380780p380

x()s()

()()

d 0d 0

ps()px()

()()

s()s()

dd在光电法测光强的条件中使ixisExdES而E I

/r2

E I /r2→

I dI(r

/r)2

可见此式比前式多了一x x x s s s x s x sd值和１相差不多,假设测量中没有V(λ)修正滤光片,而单单用Se光电池测异色温光源,修正就可用d表达式计算.(注:不同待测灯修正系数不同〕1思考题：修正后的测量方法及测量步骤？§２-５光照度的计算公式的推倒：前提假设有一发光面dA听从朗伯定则,即它在各个方向上的亮度是一样的,计算在距发光面为r处被照面ds的光照度.如图有:由dA→ds的光通量为:

dLcoscosdAdsl2 1 2 1则ds上的照度为：

dEdLdAcoscosdS l2 1 2N1N1N22dA1dSr①发光体看作听从朗伯定律的点光源②实际工作中用照度计测量照度，计算意义不大③此式可计算各种有限尺寸光源〔如盘形光源,线状光源，球形光源等〕在被照明外表产生的照度。举例：一圆盘型朗伯光源dA,半径为r,求在圆盘中心轴线上c处的光照度?如以以下图所示解：圆盘距离圆心x处的照度dE为: dELdAcoscosl2dxlaca2x2由图有: coscosa2x2xdx

dA2xdx,l2a2x2故 dE2La2

(a2x2)2整个圆盘在c点处产生的照度E为：

r xdx 1 Lr2EdE2La20而

La2((a2x2)2 a2x2

)r0

r2a2r2ALr2LAI0

EI0

/r2a2I0 —法线方向的光强§２-6照度的测量与照度计的定标照度计的种类：1.目视照度计：使用不便，精度不高，很少使用2.光电照度计：常用硅光电池照度计光电池照度计的组成与使用要求：组成:微安表、换挡旋纽、零点调整、接线柱、光电池、V(λ)修正滤光器等组成。常用硒(Se)光电池或硅(Si)光电池照度计,又称勒克斯表2.使用要求：(Se(S且灵敏度高;高E时选用高内阻的光电池,其灵敏度低而线性好,受强光照耀不易受损②内付有V(λ)修正滤光片,适宜用异色温光源的照度,误差小③光电池前加一块余弦角度补偿器(乳白玻璃或白色塑料)缘由是入射角大时,光电池偏离余弦定则④照度计应工作在室温或接近室温下(光电池漂移随温度转变而发生转变〕照度计的定标：图 如 上 ：中性减光片中性减光片修正滤光片余弦角度补偿器s光电池e照度计的定标原理：使Ls垂直照耀光电池→E＝I/r2，转变rE与i的对应关系将电