光量測基礎知識介紹

光量測基礎知識介紹

一、簡介

    光度測量（photometry）學是測量人眼對光的響應的科學。

    由于人眼是一個高度復雜的器官，這無疑是一個非常困難的工作。它涉及到多個學科，心理學、生理學和物理學等。

1924年，CIE(國際照明委員會)組織會議定義人眼對光平均響應值，從此光度測量學就成為一門現代學科。該委員會抽樣測試了大量人群，將得到的數據繪制成明視（photopic）曲線。該曲線表明人眼對綠光反應最敏感，對紫光和紅光則反應較弱。

    實驗表明，在暗視場情況下，人眼有完全不同的響應值，在此情況下，人眼也無法辨別顏色。于是，又進行了一系列測試，繪制出了暗視（scotopic）曲線暗視視見函數。

    有了人眼的光譜響應曲線，CIE規定了標準光源作為光強量測的標準。第一個標準光源是一特殊的蠟燭，由此得出footcandle和candlepower的定義。為了最大可能的提高重復性，1948年，對標準進行了重新定義--一定量的金屬鉑融化所發出的光。

二、基本概念

    光度的基本概念是流明（lumen），是一個與輻射度（radiometric）中的Watt相關的概念,關系如下：

lm=683?W?V(λ)

V(λ)-相對發光度，由視見函數得出的一個系數，把人眼在555nm(最靈敏波長)的值規定為1

兩個重要的光度學定理：

1、平方反比定理:連續光強光源在光接受表面的照度（illumination）與光源到接受表面距離之間的關系， 即，照度值與該光源到接收面之間的距離的平方成反比。因此，理想的照度測量必須要能精確控制距離的大小，如果某光源在某一距離的照度值已知，除非其他條件影響，任何距離的照度都可以經計算獲得。

2、余弦定理：一定面積上的光強，因入射角的不同而隨之變化，這是因為實際投影面積隨入射角的增大成比例的減少。這樣，在環境照明測試時，探頭需要進行余弦校正來計算實際值。否則，就會產生相當大的誤差，尤其當入射角較小時，誤差更大。

    光度量測的主要問題是如何再現人眼對光譜的響應。電子探頭獨特的響應特征完全不同于CIE標準觀者。為此，探頭必須能按光譜校正數據。通常有兩個方法達到該目的，一是通過不同波長掃描、探測，二是匹配濾濾光片法。

    掃描法是用單色儀或多通道探測器來完成測試，在這種方法里，光源的光強被逐波長的測試，測得的數據根據明視視見函數進行計算，得到測量結果。由上可見，該技術需要微處理器，要有一定的掃描精度，因此并不實用，而且，價格昂貴，操作復雜。

光學濾光片法提供了一個簡單、經濟的解決方案。因只有一個光電信號需要處理，因此一個單通道的電子處理器即可。近來濾光片設計技術的改進，以及固體探測器技術的提升，提高了該技術在光度量測上的正確度。

    濾光片匹配技術是在探測器前加一有色濾光鏡（colored-glass filter）,該濾光鏡可以對不同波長進行選擇性衰減，直到符合CIE視見函數曲線。平面散射的Si光敏二極管，在可見光譜范圍內具有良好的線性響應和極高的靈敏度，因此是理想的光探測器。使用Si探測器，再加上先進的濾光片設計，UDTI公司的光度計與CIE視見函數曲線僅有1%的誤差。根據CIE的統計，這是最佳的匹配值。

    表示光度量測探頭性能的一個非常重要的參數就是f1′,這是由CIE協會定義的一個數值，由光度探測器的平均誤差與CIE視見函數的比值得該數值。最高精度------實驗室級精度的探測器的f1′<1.5%，一般的應用要求f1′<3%。

    需要指出的是，探測器與濾光片之間的匹配是非常精密的，一旦匹配完成之后，就不能與其他的探測器/濾光片的配對互換。每一個探測器都有一個獨特的響應特征，需要與特定厚度和層數的濾光片結合。

    探測器的響應值確定了以后，就要用標準轉移技術來進行校正。標準探測器由NIST提供。將探測器/濾光片的配對定位于一個光源前，光源要求能夠輸出連續波長和強度，一般用鹵化鎢燈。這樣，對被校正探測器的輸出電信號與標準探測器的信號進行對比。

    探頭的光響應值確定了以后，就可以匹配一個精密的增益控制電子放大器和數據讀出系統。

三、重要術語

光度量及單位

光通量luminous flux

    光通量的單位是流明（lumen）,是光度量的基本單位，表示可見光源所有的光輸出量。因此，光通量的測量要求能夠將所有的光能量收集到光探測器上，對于發散光源，如LED、燈源等，光通量的測量就比較困難，這時就要用積分球來測量。

光照度illuminance

    光照度是指單位面積所接受的入射光的量 。在英制單位里，1平方英尺的面積上接受到1個流明的光通量，定義為1footcandel。公制單位中，每平方米1個流明為1勒克斯（lux）,10.76lux=1footcandle.

當然，探頭不可能有這么大的面積，所以，探頭的面積要相應的乘以一定的倍數。由于探頭的面積不再由被照射的面積決定，因此當測量值超過探頭的測量范圍或在矯正光學的后面時，就要特別注意。

例如，照度測量時，經常由于光線偏離垂直光軸而造成測試錯誤。這時，探頭就要配一個余弦校正器。由于余弦接受器仍然要投影到探頭上，因此，余弦接受器的面積并不是探頭的面積，只是代表測試面積。

光出射度（luminous exitance）

    光出射度是表征光源自身性質的一個物理量。光源的光通量除以光源的面積就得到光源的光出射度值。光出射度用lumen/㎡表示，但與照度測試和lux不同，光出射度中的面積是指光源的面積，而不是被照射的面積。平板發射會測試該值。

光強（luminous intensity）

    光強也是表征光源的性質的物理量，是指所有的直射光和發散光。用均勻發射到球面角的光通量來表示光強的大小。光強的基本單位是坎德拉（candela）,相當于1流明/球面度（lumen/steradian）。

    光強的定義有兩點需要說明，一、該測量不適用于校正光源；二、對非均勻發射源，光強是不確定的。要得到光強值，必須知道探頭的面積（或由探頭前面的光圈決定的面積）和測量的距離，這樣就可以計算出球面角，用光通量的數值除以球面角，就得到光強值。

光亮度（luminance）

        如大家所知的亮度（brightness）,光亮度（luminance）也是對相對平坦、均勻的平面反射或發射的光的量測。測量時要考慮到測試的表面積和觀測者的視角。

    光亮度可以看作是每單位面積的光強，所以在光量度單位中用candela/㎡表示，但是許多其他的定義也應用到該測量中，一些單位是用來測圓形面積，而不是方形。（見光度量單位表）

    要測量亮度，必須嚴格規定探頭的視場和計算角度，通常要用到透鏡和反射板（baffle）。實際上，人眼就相當于一個光亮度計。

    注意，只要探頭的視場被充滿，探頭與測試平板之間的距離決定測量的結果。這是因為，視場大小尺寸和光源的強度與距離成正比函數關系。

光度量（luminance energy）

   光度量是指放出的光通量，用流明?秒表示。多用于脈沖光源或閃光光源。

基于時間的光度量是可以測量的，如可對閃光燈在某一方向上的照度對時間進行積分，得到footcandle?秒。

四、如何建立光度測試系統

    建立一個光量測系統需要三步。首先，對光源進行評估，決定用何種方法進行測試；然后，選擇合適的探測器及光學系統（探頭）；最后，為探頭配置電子設施，以提供應用所需的操作界面。

評估光源

    探測器對量測的正確與否有著非常重要的作用，畢竟光度量測與人眼對光的響應緊密相關，因此，首要的問題是，人眼是如何對被測的光源進行響應的。

    比方說，測量周圍環境的照明情況，是想知道，人眼在某一范圍上是否可以看清文字或物體，關心的并不是光源的功率，而是在該塊面積被照亮的程度如何。由此可見，無論是室外，還是辦公室、工廠，要測的光度量是照度。

    但是，如果在同樣的房間或空間，希望知道墻、紡織物或印刷品的亮度，需測的參數就要改變了，因為此時人們所關心的是反射到人眼的光的量。由于這些表面是散射光，相對均勻，最好是測亮度。

    電子顯示，如CRT、電子顯示面板等，發出的光直接進入人眼，由于文字字符和線條細節太小，所以測試系統的視場（F.O.V.）必須進行限定，使得只有被照亮的部分可以測到。這樣，根據定義，要測的量就是光亮度（luminance）,因此顯示屏的亮度經常用footlambert來表示。

    燈源的應用很多，很難用一個光度量來表示。如前所提到的，用于空間照明（如，房間、街道體育場）的燈源或燈源系統，主要是照度測試。但是，在汽車的外部照明應用中，前燈要測試照度、尾燈則要測試亮度。市場上的許多微光源、透鏡光源，由于是發散光，肯定要測發光強度。白熾燈和熒光燈生產廠用光通量（或等量的輻射值Watt）來檢驗產品,這是因為，它們都是固定在某一位置，散射光，必須測量它的所有發射光。

    激光和發光二極管也需要類似的測試。在科學應用上，一般測試輻射參數，但是，當研究它們對人眼的潛在傷害時，往往要測試光通量。透鏡LED雖然是直射光源，但存在發散角，發光強度（光強）可以很好地表征該性質。對于表面或邊發射的LED,很顯然，發射光是與表面積相關的函數關系，這時，就要測光出射度。

光量測試用于周期性的光源，脈沖LED、攝影用的閃光單元、閃光燈、弧光燈系統、旋轉或掃描燈，光通量都是隨時間變化的光源。

正確選擇探頭

    測試類型決定了探頭及附件的選擇。

    在任何測試中，都要用到Si光敏二極管探測器（sensor）、探測器外罩、光度濾光片。在光通量的測試時，探頭必須能將所有的入射光聚焦或校正到探測器上。

    如果，通量超出70lumen/c㎡,就超出了探測器的極限，輸出的信號就失去線性。這時就要對光進行衰減。中性濾光片（ND Filter）、光圈、積分球可達到該要求。衰減元件的選擇要要根據衰減值的要求：既不至于超過探測器的飽和度，又要保證探測器的響應靈敏度和動態范圍。

    如果光是垂直入射的，簡單的探測器、濾光片組合就可以進行環境測量。但當入射光偏離法線時，如光從窗戶或其它外部光源入射時，就需要余弦接受器。

    積分球除了在燈源制造業廣泛應用外，對LED、微光源等發散光源也十分有用。它可以確保插入積分球入口的光源的所有光被收集起來。

    亮度的測量要對探頭定義視場，光源的被測范圍大小和探測器到被測物的距離可以計算出夾角，比較大、近場，簡單的擋板（baffle）,如球面遮光物、光圈將被用到。但對于較小的圖像，如CRT等，就需要透鏡系統，在一定距離進行測試。UDTI公司提供各種亮度測試用的透鏡、光學附件，包括顯微測試和遠程測試。

選擇與應用匹配的電子設備

    卓立漢光采用UDTI公司的光度探頭都是Si光敏二極管，由于尺寸不同，一般輸出為低放大電流信號，由放大電路的倒數關系，電流信號轉化為電壓輸出，用于不同的應用需求。

五、如何定量測試輻射系統

    選擇一靈敏的探測器和正確的讀數設備，對于測試準確度有著重要的影響。

    探測器將電磁波信號轉化為電信號，然后讀取設備接收到這些信號，并進行處理。校準測試系統會測試光源，而且用某一合適的光學單位顯示出測試結果。

    其顯示單位應根據各自的特性來選擇，且探測器的選擇應考慮測量范圍、波長計算、及尺寸等因素。兩個相匹配的探測器及準確的測試單位，能精確測試光源。

光源因素：

    正如前面“重要參數”中介紹的一樣，光源特性由不同單位反映出來。

    平行光源，如激光，其特性用“光通量”來測試。一束光截面積大于探測器本身時，可以用能量強度（光照度）來描述，單位w/cm2.積分球可以測量光通量，其目的是將強的激光束“稀釋”成為弱光使其達到探測器可以測量的范圍。

    電光源，如發光二級管的特性可以由光強度來描述，可以反映出空間散射的不同。這種測試可以簡單實現，用一個狹縫和擋板來確定探測器接收角度。測試過程應保證光對探測器的入射角度一致。這與探測器的面積及離光源的遠近有關。電光源也可以用光通量來定義，用它來描述光源的輻射，測試過程可以借助整體球來實現。

    均一的擴展光源如日光燈可以用光通量或光亮度來描述。

    均一的擴展平行光源，如LCD,最好用光亮度來描述。

能量測試:

    測試脈沖光源要考慮特殊因素。光學能量的標準單位為焦耳。能量測試時對信號在一段時間內的積分。若用硅或鍺探測器來測試脈沖信號能量，則需要考慮探測器的尖峰效應，探測器飽和會呈現出非線性變化，從而產生測量錯誤。

波長及光學濾波器:

    光學濾波器可以允許某些波長的光通過，而濾除其他光波。波器可以用來調節探測器的響應，起到限制帶通以及與期望反饋回路的匹配，或按某一比例衰減光能量，許多濾波器是為與特定探測器而精心設計的。一些濾波器和探測器組合必須要校準以保證測試的準確度。

    一探測器/濾波器組合，達到均一的響應，是非常必要的，尤其是測量寬帶光源、峰值波長不確定、或其他情況。Graseby Optronics新的均勻濾波器能準確測試從450nm~1000nm波長的光波，誤差小于±5%。

    探測器/濾波器組合，若是僅允許特殊帶寬的光波通過時，適合測試弧光燈的波峰分布，可見光，或其他特殊光譜成分。

    窄帶通濾波器常用于測量激光器的能量測試。這種濾波器/探測器組可以保證只有從激光器發出的、單一的波長到達探測頭的表面。

    對于具體的探測器，一個重要的因素需要考慮，就是你要測試光的強度有多大，另外還波長范圍，能量處理能力。

硅和鍺作為光測量物質：

    鍺和硅非常適合用來測時光信號。這些物質通過光電效應將光信號轉化為電信號。在探測器的輸入范圍內電磁波的轉換及探測器反映是線性的。