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照度與亮度的測量方法
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光度量和輻射度量的工程測量是光電檢測的重要組成部分，也是研究一切與光輻射有關的物理或化學過程所不可少的內(nèi)容。例如，對光電或熱電探測器特性的研究，對夜天光和各種照明器材的發(fā)光特性研究，對物體輻射特性的研究，以及各種測溫、控溫等技術(shù)都離不開光度量和輻射度量的測量。輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量。光度量是光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的度量。因此，輻射度量和光度量都可定量地描述輻射能強度。但輻射度量是輻射能本身的客觀度量，是純粹的物理量；而光度量則還包括了生理學、心理學的概念在內(nèi)。兩者之間通過人眼光譜光視效率V（λ）（視見函數(shù)）和最大光譜光視效能K0實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在明視覺條件下，頻率為540×1012Hz（λ=0.555μm）單色輻射的最大光譜光視效能Km=683lm/W。暗視覺的轉(zhuǎn)換為0.51μm單色輻射的最大光譜光視效能K`m=1725lm/W。 光度量和輻射度量各自包含著許多對應的量，如強度、亮度、出射度、通量和照度等。在工程測量中大多通過測定通量來確定亮度和照度。其他量一般不直接測量，而是利用亮度或照度值通過各量之間的關系計算得出。例如光度量的計量儀器常見的有光譜照度計和光亮度計。 光度量和輻射度量的測量可以采用多種方法。目前發(fā)展最快、采用最多的是光電和熱電法的測量。熱電法是以熱電探測器為光輻射量的接收器，其優(yōu)點是對檢測的光譜無選擇性，而缺點是反應速度較慢，靈敏度較低。光電法是用光電探測器作為光輻射的接收器，它的優(yōu)點是反應迅速，靈敏度高；而缺點是檢測對光譜有選擇性。此外，對中、遠紅外輻射測量的光電探測器常需制冷，使設備量增加也是它的不足之處。 光電檢測中的計量儀器，都有一定精確度和精密度的要求，通常把精密度叫做對定值測量的重復性。在研制計量儀器過程中重要的是確保必要的精密度，而精確度的保證通常是在保證精密度的基礎上，通過對標準量的標定來實現(xiàn)的。 1. 照度的測量 光強度、光通量的測量往往是通過測量照度來實現(xiàn)的，照度測量比其他光度量的測量應用更廣泛。 光照度的定義：在某個受光面的小面元ds上，接收到入射的光通量為dΦ，則小面元上的照度E=dΦ/ds。如果整個受光面s上照射均勻，總?cè)肷渫繛?Phi;，則s面的照度E=Φ/s，單位為lm/m2，或lx。 目前在實際工作中主要采用客觀法測量照度，即將照度計的光輻射探測器放在待測平面，光照引起探測器的光電流，放大后通過儀表或數(shù)字讀出。對于標定過的照度計，讀出的數(shù)據(jù)代表了所測平面的照度值。 照度計的基本結(jié)構(gòu)是光電測量頭及其示數(shù)裝置。光電測量頭包括光電探測元件、光譜修正濾光片，以及擴大測量量程的減光器（中性濾光片等），如圖1所示。 圖1：照度計原理圖 為了可靠地測量照度，照度計必須滿足以下條件： （1）光電探測器的光譜響應需要符合照度測量的要求。由于照度計通常用硒光電池或硅光電池、光電倍增管等作為測光部件，其光譜響應和人眼光譜光視效率有較大差別。當進行同色溫光源下照度測量時，只要這種光源的色溫和種類與照度計標定時所用標準光源的色溫、種類一致，就不會產(chǎn)生測量誤差。但當待測光源色溫或種類與標定光源的不同時，由于測光部件光譜響應和人眼光譜光視效率之間的差異，就會成為引入照度測量誤差的重要因素。為了使測光部件的光譜響應符合照度測量的精度要求，一般選用合適的濾光片，修正照度計的光譜響應，使兩者組合后的光譜響應盡量接近人眼光譜光視效率。對于硒光電池和硅光電池的光輻射探測器，用現(xiàn)有玻璃濾光片進行V（λ）匹配，其理論計算的誤差可在1%以內(nèi)。 （2）探測器的余弦校正。根據(jù)余弦定理，使用同一光源照射某一表面，表面上的照度隨光線入射角而改變。設光線垂直入射時，表面照度為E0；當光線與表面法線夾角為α時，表面上的照度為 使用照度計測量某一表面上的照度時，光線以不同的角度入射，探測器產(chǎn)生的光電流或者說照度計的讀數(shù)，也應隨入射角的不同而有余弦比例關系。但是由于測量儀器并不能達到各種理想狀態(tài)，探測器的這種非余弦響應主要是由于菲涅耳反射所致的。為消除或減小探測器的非余弦響應給照度測量帶來的誤差，設計了多種余弦校正器，如圖2所示，余弦校正器的基本原理是利用光電探測器的透鏡或漫透玻璃，改變光滑平面的菲涅耳反射作用，從而克服探測器的非余弦響應。 圖2：余弦校正器 （3）照度示值與所測照度有正確的比例關系。要求照度計光電探測器的光電流應與所接收的照度成線性關系。目前精度較高的照度計，在0.01lx至2×105lx之間的線性誤差小于0.5%。有些照度計在測光部件上還可加一些光衰減器（如中性密度濾光片等）或在信號輸出讀數(shù)顯示上加一些固定倍率的衰減，以擴大照度計照度測量范圍。 （4）照度計要定期進行精確標定。使用一段時間后，光探測器會發(fā)生老化，即靈敏度發(fā)生改變。故照度計應定期進行標定，確定測光部件表面照度與輸出光電流或照度計讀數(shù)之間的關系。 （5）照度計要有較好的環(huán)境適應性。環(huán)境溫度的變化會影響到光探測器的響應度。為避免受溫度變化的影響，在精密測量時，應保持恒溫。 2 亮度的測量 亮度是經(jīng)常要測量的發(fā)光體光度特性之一。 發(fā)光體表面的亮度與其表面狀況、發(fā)光特性的均勻性、觀察方向等有關，因而亮度的測量頗為復雜，且測量的往往是一個小發(fā)光面積內(nèi)亮度的平均值。 常用的亮度計用一個光學系統(tǒng)把待測光源表面成像在放置光輻射探測器的平面上。圖3所示是一種亮度計的結(jié)構(gòu)，亮度計的測光系統(tǒng)由物鏡B、光闌P、視場光闌C、漫射器和探測器等組成；光闌P與探測器的距離固定，緊靠物鏡安置；視場光闌C和漫射器位于探測器平面上；C限制待測發(fā)光面的面積。對于不同物距的待測表面，通過物鏡的調(diào)焦，使待測發(fā)光面成像在探測器受光面上。 圖3：亮度計結(jié)構(gòu)圖 設待測發(fā)光面的亮度為L，物鏡的透射比為τ，若不考慮亮度在待測表面到物鏡之間介質(zhì)中的損失（物距太長時應考慮），則在光闌P平面上的亮度為πL，像平面上的照度為 式中，S是光闌P的透光面積，r是光闌P到像平面的距離（不隨測量距離不同而改變）。 設探測器的照度響應度為RE，則輸出信號V=REE，則亮度計的亮度響應度為 光闌P的設置非常重要，因為如果只用物鏡框來限制通光孔面積，那么在測量物距不同的發(fā)光表面時，物鏡框到像平面的位置將隨著物鏡的調(diào)焦而改變，結(jié)果對應不同的物距就有不同的亮度響應度，若對物距的變化不加修正，就會引起亮度測量誤差。例如，一種物鏡焦距為180mm的亮度計，儀器對2m物距進行標定，當用它測量10m物距的發(fā)光面時，會產(chǎn)生約17%的誤差。 亮度計的最大誤差源由其光學系統(tǒng)各表面產(chǎn)生的反射、漫射和雜散光所引起，它們使探測器對儀器視場外的亮度源產(chǎn)生響應。在被測目標的背景較亮時，亮度計必須加上擋光環(huán)或使用遮光性能良好的伸縮套。 因為亮度計得到的是平均亮度，故測量時待測部分應亮度均勻。如果在測量方向上有明顯的鏡面反射成分，即待測表面的反射和透射特性不均勻，則不同視場角測得的平均亮度將會有明顯的差異。若待測亮度表面不能充滿亮度計視場，如測量小尺寸點光源或線光源時，應當把光源投影到一塊屏上，光源像應有足夠大的尺寸。先測得光源像的亮度，再計算出光源的實際亮度。
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