第八章-光度量的测量1案例.ppt

第八章光度量的测量,光度量是平均人眼接收辐射能引起视觉神经刺激程度的度量。光度量的测量主要包括光通量、发光强度、照度和亮度的测量，这些光度量是在可见光范围内平均人眼受到光刺激程度的度量，是可见光范围内各波长光对人眼刺激的积分值。在光度量的测量中，根据接收器不同(用人眼接收或物理探测器接收)，可分为两种测量方法：以人眼作为接收器称为目视光度法；以物理探测器，如光敏元件、照相底片等，作为接收器的称为客观光度法。目前在光度测量领域，目视光度法有被客观光度法取代的趋势。由于光度测量原则上是使用平均人眼作为评价标准的，因此掌握光度量的目视光度测量方法仍是很重要的。,第8章光度量的测量,8.1发光强度的测量8.1.1在光度导轨上测量8.1.2用偏光光度计测量8.1.3用客观光度法测量8.1.4测量中应注意的问题,8.2光通量的测量8.2.1用分布光度计8.2.2用积分球8.3照度的测量8.4亮度的测量,8.1发光强度的测量,发光强度的测量可用目视光度法测量，也可用客观光度法测量。测量可在光度导轨上运用平方反比定律来进行。,发光强度(I,单位坎德拉,cd,lmsr-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:.具有一定的强度和光谱功率分布.具有很好的重复性，长时间点燃其光强数值保持不变.制备及使用方便,光强基准基本单位的演变历史:.早期基准:蜡烛卡塞尔灯(1800年)尖头钠灯(1884-1940年).白炽体基准和“小数”基准.临时“国际烛光”.黑体基准和新烛光.新烛光变成坎德拉,光强基准(次级基准)副基准灯和工作基准灯组成.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行量值传递.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.光强标准灯的形状:圆柱形、正圆锥形、斜圆锥形、圆球形等(我国采用圆球形),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：灯泡质量要好:泡壳应无色透明,无泛碱、发雾和波纹、气泡等缺陷，发光要稳定（注：新制标准灯发光不稳定应老练到全寿命的10%，通常是在高于工作电压的5%，老练50-80小时）,供电电源精度高（稳定性好常用直流供电电源）标准灯点燃时应逐渐点亮，在稳定电流（电压）下预热真空泡5分钟左右，充气泡预热10分钟左右，待发光稳定后再开始测量测量时应经常更换极性（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新定标，若使用时间少于这个值，经一年后应重新定标,8.1.1在光度导轨上测量发光强度,8.1.1在光度导轨上测量发光强度,实际上漫射屏总有一定的厚度。设屏厚度为2t，则有,8.1.1在光度导轨上测量发光强度,为了方便起见，实际上往往使用(8-1)式计算Ic。这样由于反射屏厚度的影响,将引入测量误差。若要使一误差小于0.1%，即,例如：2t=4mm,则有(m)，如果rs=1.5m，则可解得,当测量精度要求较高，而测量时实际rs和rc相差较大时，应用(8-2)式把反射屏厚度的影响考虑进去。,8.1.1在光度导轨上测量发光强度,在制做白色漫射屏时，使其两平面反射比相同，则(8-1)式变为,式中，rs和rc可由导轨刻度读出；Is是已知标准灯的发光强度；,8.1.1在光度导轨上测量发光强度,在测量时，如果光度计内两条光路系统不对称或者漫射屏两平面的反射比不一样将会引起附加的测量误差。为消除这种误差可采用比较测量法，此时除了用标准灯及待测灯外，还要使用一只比较灯(V灯)。对于比较灯只要求光强度在一定时间内保持稳定，不必预先知道其数值。,8.1.1在光度导轨上测量发光强度,当待测光源与标准光源色温相差较大时，可采用以下几种方法减小测量误差：用滤光片或色溶液加在待测光源一侧，使光度计中待测光路视场的光色与标准光路视场的光色相一致。,v是滤光片或色溶液的目视透射比；()是待测光源的光谱辐射通量；()是滤光片或色溶液的光谱透射比；V()是标准人眼光谱光视效率。计算Ic时要除去v的影响。,8.1.1在光度导轨上测量发光强度,闪烁法可用于测量与标准光源色调相差较大的待测光源的光强度。闪烁法是根据人眼对间断光的响应特性而设计。闪烁法测发光强度要使用闪烁光度计，图8-3是艾夫斯-布里德(Ives-Brady)闪烁光度计的测量光学系统图。,艾夫斯认为：对异色光来说，闪烁法在所有比较测量法中精度最高，重复性最好。当用作比较的光源之间色差不很大时，由熟练的观察者操纵闪烁光度计，测量的相对精度可达0.51%。使用闪烁光度计时，很快会导致人眼疲劳，因此，测量时间一般不应超过一小时。,8.1.2用偏光光度计测量发光强度,测量方法操作简单，无需在光度导轨上移动测量部件。马丁斯(Martens)偏光光度头的工作原理如图8-4所示。设a、b分别为两个比较光源，由a发出的光经过平凸透镜和渥拉斯顿棱镜分成两束光(图中分别用实线和虚线表示)，它们的偏振方向是正交的。再经过双棱镜，又把每一束光分成向不同方向折转的两束。这样通过望远系统观察时，就可看到4个分开的点。现在用光阑挡去三束，只留下图中a1部分；由b光源来的光也一样被遮去三束，预先设计好双棱镜的角度，使得来自b光源的光束b2和a1正好在观察者眼中重合，这时b2和a1的偏振方向刚好正交。,8.1.2用偏光光度计测量发光强度,马丁斯偏光光度计的结构如图8-5所示。在测量发光强度时，使待测光源C垂直照亮漫射屏P，再经两块棱镜的折转，照亮漫射屏W1，参考光源V直接照亮漫射屏W2，W1和W2相当于图8-4中光源a和b。仪器中尼可尔(Nical)棱镜起检偏的作用。设它的检偏角相对零位为，则通过它后W1的亮度减为LW1cos2，W2的亮度减为LW1sin2。仪器可绕ZZ、LL轴转动，保证待测光源C可垂直照亮漫射屏P。,8.1.2用偏光光度计测量发光强度,在仪器使用之前，要用标准光源S进行标定。用已知光强度Is的灯放在测量光路中，并已知标准灯S到漫射屏P的距离rs。转动尼可尔棱镜，直到观察视场出现光度平衡，则有,式中，k1、k2分别为两侧光路光度特性参数；0是尼可尔棱镜的转角。仪器的标定常数,8.1.2用偏光光度计测量发光强度,用仪器测待测光源的光强度时，测出待测光源到漫射屏P的距离rc，则,式中，是待测光源C与比较光源V的视场亮度达到光度平衡时尼可尔棱镜的转角。,8.1.3用客观光度法测量光强度,客观光度法测量光强度时，所使用的光接收器是光辐射探测器，即对标准光源和待测光源在接收器全部有效面积上的照度进行比较，判断出待测光源光强度。如果探测器位置固定，保持光源座与光辐射探测器的距离不变，先将标准光源S放在光源座上，测得光电流为is，再用待测光源C替换光源S，测得光电流ic，则可求得待测光强度Ic：,这种方法要求探测器上的照度必须在探测器线性工作范围以内。,8.1.3用客观光度法测量光强度,如果将光接收器固定。在距光接收器的一定距离rs上测得标准灯的光电流is，用待测灯换去标准灯，并作水平移动，使待测产生的光电流与标准灯的相同，记下此时待测灯的距离rc，则可求得待测光强度Ic：,这种方法对探测器没有线性工作要求。,光度头-光电池的特性,光电池的工作原理与特性：1.工作原理:光生伏特效应（内光电效应:光电池受光照射就会产生电势差)2.最大特点是:不需外加工作电压，只要有光照就能产生电势差，对外输出电功率3.当用作光度头时，工作在反向偏置状态,光电池的漂移现象：1.漂移现象:光电池在长期遮盖以后暴露在光线照射下,当受照面的照度不变时,在最初一段时间里光电池电流是逐渐变化的,有时上升有时下降;当照射一段时间后趋于稳定,这种现象称为光电池的漂移现象(光电池结构如图),2.漂移现象的影响因素：受光面的照度:照度漂移;照度漂移不同颜色的光入射到光电池上时,漂移现象也不同漂移现象随光电池所处的温度的改变而改变,光电池的积分灵敏度与光谱灵敏度：1.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之比称之为光电池的积分灵敏度用S表示2.公式:3.单位:A/lm4.光谱灵敏度与积分响应度分布(如下图),光电池的线性和测量电路：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)当有光入射时,形成电流:而又由右电路图知:故若Rmin时,i2和成线性关系,2.测量电路：保持Se光电池的电流i与入射光通量具有很好的线性关系的最佳方法:尽量采用外回路内阻小的电测仪表，在精度要求不高的情况下，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-V转换器.,2.作精密测量时的实用电路：当光照射Se光电池时,按下补偿电路中的开关K,调节使，此时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.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，称为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（）表示2.由图知:在光电池的前面加上V()修正滤光片后,它的光谱响应度分布S（）与光谱光视效率V()很接近,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,待其响应趋于稳定后，再正式用于光度测量。,光电流的输出值与余弦定则的偏离:1.光电流的余弦定则：当有光线斜射向光电池时有:若则2.测量的光电流与余弦定则的偏差:,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一致:常用硒(Se)光电池或硅(Si)光电池作光电接受器为使光电池的S（)与人眼的光谱光视效率V()很接近,在光电池的前面加上V()修正滤光器与光电池组合使用即可,.V()修正滤光器种类:固体滤光器:由LB6和LB16组成.其特点是:性能稳定,光谱透射比不改变,可以长时间使用,但配制不容易.液体滤光器:它是几种盐配成厚度为10mm的水溶液.其特点是:可通过调节水溶液的浓度对光电池进行修正,但光谱透射比不稳定,易受温度变化而使浓度改变,使用不便,.V()修正滤光片常用配方：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100ml,4.V()修正滤光片的光谱透过率():S()-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：1.示意图如下：,2.测量原理：Ls照射硒(Se)光电池时有电流表的读数为,Lx照射硒(Se)光电池时有电流表的读数为,若则有即,3.测量步骤:按1中的示意图装好器材让Ls照射硒(Se)光电池,记下光电流读数A,此时的照度为:将光电池旋转,让Lx照射硒(Se)光电池,调节，使光电流的大小值为A,此时的照度为:利用公式计算出待测灯光强,4.注意事项:Ls、Lx、V()修正滤光片、Se光电池的光心在同一直线上rS10Lsrx10LxLs、Lx灯在额定电压下工作测量时灯应先通电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：比目视法精度高，仪器适当精度可达0.1%测量同色温光源也可测量异色温光源的光强测量时间短，使用方便但不能定色温,测量结果的修正：因加V()修正滤光片后Se光电池S()与V()接近但仍有偏离，对异色温光源测量时，要进行修正，经修正后有：修正系数,在光电法测光强的条件中使而可见此式比前式多了一个修正系数，这在精密测量中是要考虑的.一般d值和相差不多,若测量中没有V()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）,8.1.3用客观光度法测量光强度,注意：客观法测发光强度时，如果标准光源和待测光源有相同的光谱能量分布，则探测器的光谱响应只要求在相应光谱范围内有足够的灵敏度；如果两光源光谱能量分布不同，就必须使探测器的相对光谱响应和人眼光谱光视效率V()相一致，才能正确的进行测量。,8.1.4光强度测量中应注意的问题,(1)杂散光造成的误差进行光强测量时,要严防外来光线射到探测器上,尤其要防止周围物体的一次反射光线。避开干扰光的最有效办法是使用挡屏(图8-6)。装上挡屏后，从探测器表面各点都应当能看到整个光源，而除光源外，室内各个位置都应被挡屏遮挡。光源的背景应该是全黑色的，通常采取在光源后边放置一个内外表面涂黑的空腔，或在一定距离之外张挂一幅黑色天鹅绒幕。,8.1.4光强度测量中应注意的问题,(2)导轨距离读数的精度根据给定的光强度测量精度，从描述光强度、照度和距离的关系可得到所需要的距离读数精度，由于距离是平方值，故相对误差为,如果光强度测量时允许相对测量误差为0.5%。则最大相对距离精度允许误差为0.25%。,8.1.4光强度测量中应注意的问题,(3)保证光源工作稳定为保证所测光强度数值的精度要求，对光源的工作电压和电流必须有较高精度的控制。例如，对于某种真空低压灯泡，发光强度I随光源工作电压V或电流i变化的关系分别为,如果要求光源的发光强度变化不超过0.5%，则工作电压的相对精度要求为0.15%，工作电流的相对精度要求为0.08%。即要保证发光强度稳定在一定的精度范围内，对工作电流的精度要求高于对电压的要求。,8.1.4光强度测量中应注意的问题,(4)光度平衡判别中人的主观误差为减小主观误差，应由有经验的光度测量人员进行测量。每次测量要测取多次读数(例如510次)，这样测量精度可达0.2%。此外，对测量环境也有一定的要求，仪器视场的亮度应在330cd/m2之间，视场要均匀，没有污斑、颗粒结构等。环境亮度不应低于15cd/m2。,8.2光通量的测量,光源的发光强度是光度学的基本参数，由其可导出光度学其它各基本量。因为发光强度不足以表征光源的完整特性，通常需要使用光通量来表征它，光通量的单位从发光强度单位导出，对各向同性的点光源来讲，其光通量=4I，故只要测定点光源的发光强度乘以4就可求得光通量。然而，实际光源总有一定大小，其光源发光强度在空间也非均匀分布，故必须采用相应的方法进行测量。最常用的是用分布光度计和积分球来测量光通量。,8.2.1用分布光度计,用分布光度计测量光源的光通量具有测量精度高的优点，但测量方法较复杂，一般在国家计量部门和一些研究单位中使用。(1)测量原理由发光强度I和光通量的定义，可得到,如果在不同的空间位置上测得发光强度I(,)，就可求出光源的光通量。但对不同方位发光强度的测量则是比较麻烦的。,8.2.1用分布光度计,根据多数光源的灯丝结构形状，可近似地认为光源的光分布是轴对称的，即沿各个方位角都有同样的空间光分布(图8-7)，因此上式可简化成,函数I()的确定也是不容易的。但是，当光源的材料是朗伯辐射体，对于几种几何形状简单的物体，可求得其光分布函数。,8.2.1用分布光度计,发光圆片(图8-8(a),发光圆片的光强分布为一球体，直径等于Imax的球与圆片中心相切。,球面光源(图8-8(b),球面光源的光强分布也是一个球体，光源位于球体的中心，Imax为球体的半径。,8.2.1用分布光度计,半球面光源(图8-8(c)，顶面不发光),光源的光强分布是绕极轴旋转的心脏线。,底面和顶面不发光的圆柱面光源(图8-8(d),光源的光强分布是一个圆环面，它由一个直径为Imax的圆绕圆柱光源轴线旋转而成。,8.2.1用分布光度计,对于上述几种特定的光源，只要测出它们的光强度Imax，就可以分别求出其光通量。虽然实际生活中的光源很难是完全漫反射体，但对于几何形状类似的光源，可借助以上近似求得相应的光强分布和光通量。,8.2.1用分布光度计,对于实际存在的多数光源，很难找到其光强空间分布的关系式，往往采用测量照度的办法确定其光通量。光通量可由光源周围任一封闭面积上的照度分布求出，如果选用半径为r的任一球体表面作为被测面，则光通量为,式中，E(,)是半径为r球面上的照度。当光源具有轴对称特性时，上式可简化为,8.2.1用分布光度计,实际计算时，用求和近似代替积分,采用等角度法和等立体角法划分球表面环带(图8-9),8.2.1用分布光度计,(2)分布光度计的结构,图8-10是一种分布光度计的结构图，接收器Ph是可沿圆弧S滑动的光电池，测量各仰角处光源的照度。圆弧S又能绕垂直轴A转动，从而可测量光源在不同方位角时的光通量。由于结构尺寸限制，这种仪器一般只能用于测量小或中等尺寸的光源。,8.2.1用分布光度计,在测量大尺寸光源时，要求增加光辐射探测器到光源的距离。为此可使用反射镜组合结构，增大测量距离。图8-11列举了三种光度计的反射镜结构。,8.2.2用积分球测量光通量,测量光通量更方便、更常用的方法是利用积分球。将光通量标准灯与待测灯相比较而得到待测灯的光通量。积分球的照度由(6-6)式表示(K称为积分球常数),在测得了球壁处出射窗口的照度E后，可得到光通量,8.2.2用积分球测量光通量,在实际测量时，由于需要在积分球内安置待测光源，且为了不让光线直射探测器，必须加设遮挡屏，起到对光线吸收和阻挡作用，故上式只能近似成立。挡屏和光源尺寸越大，引起的误差也越大。图8-12表示了遮挡屏的影响，遮挡屏S阻,碍光源L的光到达AB区域(包括测量窗口)，而测量窗口又不能接收从CD区域反射的光线。遮挡屏的位置和大小决定了AB和CD区域的面积。理想的情况应使AB、CD区域最小。实验和理论证明，遮挡屏放在离待测灯R/3的距离上最为合理。有人认为遮挡屏的直径为2R/3，但更合适的办法是由待测灯尺寸及测量窗口的大小来确定。,8.2.2用积分球测量光通量,图8-13中，设灯的最大尺寸为2l，测量窗口直径2h，挡屏半径r，由图可得,选择直径较大的积分球，可使光源和遮挡屏的尺寸的影响相对减小，从而减小吸收误差和遮挡屏误差。一般积分球直径至少应取灯最大尺寸的610倍。,8.2.2用积分球测量光通量,对于具有轴对称光