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照度與亮度的測(cè)量方法
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光度量和輻射度量的工程測(cè)量是光電檢測(cè)的重要組成部分，也是研究一切與光輻射有關(guān)的物理或化學(xué)過(guò)程所不可少的內(nèi)容。例如，對(duì)光電或熱電探測(cè)器特性的研究，對(duì)夜天光和各種照明器材的發(fā)光特性研究，對(duì)物體輻射特性的研究，以及各種測(cè)溫、控溫等技術(shù)都離不開(kāi)光度量和輻射度量的測(cè)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(jué)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(qiáng)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(xué)、心理學(xué)的概念在內(nèi)。兩者之間通過(guò)人眼光譜光視效率V（λ）（視見(jiàn)函數(shù)）和最大光譜光視效能K0實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在明視覺(jué)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(jué)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(duì)應(yīng)的量，如強(qiáng)度、亮度、出射度、通量和照度等。在工程測(cè)量中大多通過(guò)測(cè)定通量來(lái)確定亮度和照度。其他量一般不直接測(cè)量，而是利用亮度或照度值通過(guò)各量之間的關(guān)系計(jì)算得出。例如光度量的計(jì)量?jī)x器常見(jiàn)的有光譜照度計(jì)和光亮度計(jì)。 光度量和輻射度量的測(cè)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(cè)量。熱電法是以熱電探測(cè)器為光輻射量的接收器，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)檢測(cè)的光譜無(wú)選擇性，而缺點(diǎn)是反應(yīng)速度較慢，靈敏度較低。光電法是用光電探測(cè)器作為光輻射的接收器，它的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)迅速，靈敏度高；而缺點(diǎn)是檢測(cè)對(duì)光譜有選擇性。此外，對(duì)中、遠(yuǎn)紅外輻射測(cè)量的光電探測(cè)器常需制冷，使設(shè)備量增加也是它的不足之處。 光電檢測(cè)中的計(jì)量?jī)x器，都有一定精確度和精密度的要求，通常把精密度叫做對(duì)定值測(cè)量的重復(fù)性。在研制計(jì)量?jī)x器過(guò)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(chǔ)上，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 1. 照度的測(cè)量 光強(qiáng)度、光通量的測(cè)量往往是通過(guò)測(cè)量照度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，照度測(cè)量比其他光度量的測(cè)量應(yīng)用更廣泛。 光照度的定義：在某個(gè)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(gè)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(shí)際工作中主要采用客觀法測(cè)量照度，即將照度計(jì)的光輻射探測(cè)器放在待測(cè)平面，光照引起探測(cè)器的光電流，放大后通過(guò)儀表或數(shù)字讀出。對(duì)于標(biāo)定過(guò)的照度計(jì)，讀出的數(shù)據(jù)代表了所測(cè)平面的照度值。 照度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是光電測(cè)量頭及其示數(shù)裝置。光電測(cè)量頭包括光電探測(cè)元件、光譜修正濾光片，以及擴(kuò)大測(cè)量量程的減光器（中性濾光片等），如圖1所示。 圖1：照度計(jì)原理圖 為了可靠地測(cè)量照度，照度計(jì)必須滿足以下條件： （1）光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)需要符合照度測(cè)量的要求。由于照度計(jì)通常用硒光電池或硅光電池、光電倍增管等作為測(cè)光部件，其光譜響應(yīng)和人眼光譜光視效率有較大差別。當(dāng)進(jìn)行同色溫光源下照度測(cè)量時(shí)，只要這種光源的色溫和種類與照度計(jì)標(biāo)定時(shí)所用標(biāo)準(zhǔn)光源的色溫、種類一致，就不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。但當(dāng)待測(cè)光源色溫或種類與標(biāo)定光源的不同時(shí)，由于測(cè)光部件光譜響應(yīng)和人眼光譜光視效率之間的差異，就會(huì)成為引入照度測(cè)量誤差的重要因素。為了使測(cè)光部件的光譜響應(yīng)符合照度測(cè)量的精度要求，一般選用合適的濾光片，修正照度計(jì)的光譜響應(yīng)，使兩者組合后的光譜響應(yīng)盡量接近人眼光譜光視效率。對(duì)于硒光電池和硅光電池的光輻射探測(cè)器，用現(xiàn)有玻璃濾光片進(jìn)行V（λ）匹配，其理論計(jì)算的誤差可在1%以內(nèi)。 （2）探測(cè)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(shè)光線垂直入射時(shí)，表面照度為E0；當(dāng)光線與表面法線夾角為α時(shí)，表面上的照度為 使用照度計(jì)測(cè)量某一表面上的照度時(shí)，光線以不同的角度入射，探測(cè)器產(chǎn)生的光電流或者說(shuō)照度計(jì)的讀數(shù)，也應(yīng)隨入射角的不同而有余弦比例關(guān)系。但是由于測(cè)量?jī)x器并不能達(dá)到各種理想狀態(tài)，探測(cè)器的這種非余弦響應(yīng)主要是由于菲涅耳反射所致的。為消除或減小探測(cè)器的非余弦響應(yīng)給照度測(cè)量帶來(lái)的誤差，設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)器的非余弦響應(yīng)。 圖2：余弦校正器 （3）照度示值與所測(cè)照度有正確的比例關(guān)系。要求照度計(jì)光電探測(cè)器的光電流應(yīng)與所接收的照度成線性關(guān)系。目前精度較高的照度計(jì)，在0.01lx至2×105lx之間的線性誤差小于0.5%。有些照度計(jì)在測(cè)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(hào)輸出讀數(shù)顯示上加一些固定倍率的衰減，以擴(kuò)大照度計(jì)照度測(cè)量范圍。 （4）照度計(jì)要定期進(jìn)行精確標(biāo)定。使用一段時(shí)間后，光探測(cè)器會(huì)發(fā)生老化，即靈敏度發(fā)生改變。故照度計(jì)應(yīng)定期進(jìn)行標(biāo)定，確定測(cè)光部件表面照度與輸出光電流或照度計(jì)讀數(shù)之間的關(guān)系。 （5）照度計(jì)要有較好的環(huán)境適應(yīng)性。環(huán)境溫度的變化會(huì)影響到光探測(cè)器的響應(yīng)度。為避免受溫度變化的影響，在精密測(cè)量時(shí)，應(yīng)保持恒溫。 2 亮度的測(cè)量 亮度是經(jīng)常要測(cè)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(guān)，因而亮度的測(cè)量頗為復(fù)雜，且測(cè)量的往往是一個(gè)小發(fā)光面積內(nèi)亮度的平均值。 常用的亮度計(jì)用一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)把待測(cè)光源表面成像在放置光輻射探測(cè)器的平面上。圖3所示是一種亮度計(jì)的結(jié)構(gòu)，亮度計(jì)的測(cè)光系統(tǒng)由物鏡B、光闌P、視場(chǎng)光闌C、漫射器和探測(cè)器等組成；光闌P與探測(cè)器的距離固定，緊靠物鏡安置；視場(chǎng)光闌C和漫射器位于探測(cè)器平面上；C限制待測(cè)發(fā)光面的面積。對(duì)于不同物距的待測(cè)表面，通過(guò)物鏡的調(diào)焦，使待測(cè)發(fā)光面成像在探測(cè)器受光面上。 圖3：亮度計(jì)結(jié)構(gòu)圖 設(shè)待測(cè)發(fā)光面的亮度為L(zhǎng)，物鏡的透射比為τ，若不考慮亮度在待測(cè)表面到物鏡之間介質(zhì)中的損失（物距太長(zhǎng)時(shí)應(yīng)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(cè)量距離不同而改變）。 設(shè)探測(cè)器的照度響應(yīng)度為RE，則輸出信號(hào)V=REE，則亮度計(jì)的亮度響應(yīng)度為 光闌P的設(shè)置非常重要，因?yàn)槿绻挥梦镧R框來(lái)限制通光孔面積，那么在測(cè)量物距不同的發(fā)光表面時(shí)，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(duì)應(yīng)不同的物距就有不同的亮度響應(yīng)度，若對(duì)物距的變化不加修正，就會(huì)引起亮度測(cè)量誤差。例如，一種物鏡焦距為180mm的亮度計(jì)，儀器對(duì)2m物距進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)用它測(cè)量10m物距的發(fā)光面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生約17%的誤差。 亮度計(jì)的最大誤差源由其光學(xué)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(cè)器對(duì)儀器視場(chǎng)外的亮度源產(chǎn)生響應(yīng)。在被測(cè)目標(biāo)的背景較亮?xí)r，亮度計(jì)必須加上擋光環(huán)或使用遮光性能良好的伸縮套。 因?yàn)榱炼扔?jì)得到的是平均亮度，故測(cè)量時(shí)待測(cè)部分應(yīng)亮度均勻。如果在測(cè)量方向上有明顯的鏡面反射成分，即待測(cè)表面的反射和透射特性不均勻，則不同視場(chǎng)角測(cè)得的平均亮度將會(huì)有明顯的差異。若待測(cè)亮度表面不能充滿亮度計(jì)視場(chǎng)，如測(cè)量小尺寸點(diǎn)光源或線光源時(shí)，應(yīng)當(dāng)把光源投影到一塊屏上，光源像應(yīng)有足夠大的尺寸。先測(cè)得光源像的亮度，再計(jì)算出光源的實(shí)際亮度。
