光度量的測(cè)量-

光度量的測(cè)量-第一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日第8章光度量的測(cè)量8.1發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量8.1.1在光度導(dǎo)軌上測(cè)量8.1.2用偏光光度計(jì)測(cè)量8.1.3用客觀光度法測(cè)量8.1.4測(cè)量中應(yīng)注意的問(wèn)題8.2光通量的測(cè)量

8.2.1用分布光度計(jì)

8.2.2用積分球

8.3照度的測(cè)量

8.4亮度的測(cè)量

第二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量

發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量可用目視光度法測(cè)量，也可用客觀光度法測(cè)量。測(cè)量可在光度導(dǎo)軌上運(yùn)用平方反比定律來(lái)進(jìn)行。

發(fā)光強(qiáng)度(I,單位坎德拉,cd,lm·sr-1)第三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.1在光度導(dǎo)軌上測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度

第四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.1在光度導(dǎo)軌上測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度

實(shí)際上漫射屏總有一定的厚度。設(shè)屏厚度為2t，則有第五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.1在光度導(dǎo)軌上測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度

為了方便起見(jiàn)，實(shí)際上往往使用(8-1)式計(jì)算Ic。這樣由于反射屏厚度的影響,將引入測(cè)量誤差。若要使一誤差小于0.1%，即例如：2t=4mm,則有(m)，如果rs=1.5m，則可解得當(dāng)測(cè)量精度要求較高，而測(cè)量時(shí)實(shí)際rs和rc相差較大時(shí)，應(yīng)用(8-2)式把反射屏厚度的影響考慮進(jìn)去。第六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.1在光度導(dǎo)軌上測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度

在制做白色漫射屏?xí)r，使其兩平面反射比相同，則(8-1)式變?yōu)槭街?，rs和rc可由導(dǎo)軌刻度讀出；Is是已知標(biāo)準(zhǔn)燈的發(fā)光強(qiáng)度；第七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.1在光度導(dǎo)軌上測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度

在測(cè)量時(shí)，如果光度計(jì)內(nèi)兩條光路系統(tǒng)不對(duì)稱或者漫射屏兩平面的反射比不一樣將會(huì)引起附加的測(cè)量誤差。為消除這種誤差可采用比較測(cè)量法，此時(shí)除了用標(biāo)準(zhǔn)燈及待測(cè)燈外，還要使用一只比較燈(V燈)。對(duì)于比較燈只要求光強(qiáng)度在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，不必預(yù)先知道其數(shù)值。第八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.1在光度導(dǎo)軌上測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度

當(dāng)待測(cè)光源與標(biāo)準(zhǔn)光源色溫相差較大時(shí)，可采用以下幾種方法減小測(cè)量誤差：

①用濾光片或色溶液加在待測(cè)光源一側(cè)，使光度計(jì)中待測(cè)光路視場(chǎng)的光色與標(biāo)準(zhǔn)光路視場(chǎng)的光色相一致。v是濾光片或色溶液的目視透射比；()是待測(cè)光源的光譜輻射通量；()是濾光片或色溶液的光譜透射比；V()是標(biāo)準(zhǔn)人眼光譜光視效率。計(jì)算Ic時(shí)要除去v的影響。第九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.1在光度導(dǎo)軌上測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度

②閃爍法可用于測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)光源色調(diào)相差較大的待測(cè)光源的光強(qiáng)度。閃爍法是根據(jù)人眼對(duì)間斷光的響應(yīng)特性而設(shè)計(jì)。閃爍法測(cè)發(fā)光強(qiáng)度要使用閃爍光度計(jì)，圖8-3是艾夫斯-布里德(Ives-Brady)閃爍光度計(jì)的測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)圖。艾夫斯認(rèn)為：對(duì)異色光來(lái)說(shuō)，閃爍法在所有比較測(cè)量法中精度最高，重復(fù)性最好。當(dāng)用作比較的光源之間色差不很大時(shí)，由熟練的觀察者操縱閃爍光度計(jì)，測(cè)量的相對(duì)精度可達(dá)0.5~1%。使用閃爍光度計(jì)時(shí)，很快會(huì)導(dǎo)致人眼疲勞，因此，測(cè)量時(shí)間一般不應(yīng)超過(guò)一小時(shí)。第十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日用偏光光度計(jì)測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單，無(wú)需在光度導(dǎo)軌上移動(dòng)測(cè)量部件。馬丁斯(Martens)偏光光度頭的工作原理如圖8-4所示。設(shè)a、b分別為兩個(gè)比較光源，由a發(fā)出的光經(jīng)過(guò)平凸透鏡和渥拉斯頓棱鏡分成兩束光(圖中分別用實(shí)線和虛線表示)，它們的偏振方向是正交的。再經(jīng)過(guò)雙棱鏡，又把每一束光分成向不同方向折轉(zhuǎn)的兩束。這樣通過(guò)望遠(yuǎn)系統(tǒng)觀察時(shí)，就可看到4個(gè)分開(kāi)的點(diǎn)。現(xiàn)在用光闌擋去三束，只留下圖中a1部分；由b光源來(lái)的光也一樣被遮去三束，預(yù)先設(shè)計(jì)好雙棱鏡的角度，使得來(lái)自b光源的光束b2和a1正好在觀察者眼中重合，這時(shí)b2和a1的偏振方向剛好正交。第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日用偏光光度計(jì)測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度馬丁斯偏光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖8-5所示。在測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，使待測(cè)光源C垂直照亮漫射屏P，再經(jīng)兩塊棱鏡的折轉(zhuǎn)，照亮漫射屏W1，參考光源V直接照亮漫射屏W2，W1和W2相當(dāng)于圖8-4中光源a和b。儀器中尼可爾(Nical)棱鏡起檢偏的作用。設(shè)它的檢偏角相對(duì)零位為

，則通過(guò)它后W1的亮度減為L(zhǎng)W1cos2

，W2的亮度減為L(zhǎng)W1sin2

。儀器可繞ZZ、LL

軸轉(zhuǎn)動(dòng)，保證待測(cè)光源C可垂直照亮漫射屏P。第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日用偏光光度計(jì)測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度在儀器使用之前，要用標(biāo)準(zhǔn)光源S進(jìn)行標(biāo)定。用已知光強(qiáng)度Is的燈放在測(cè)量光路中，并已知標(biāo)準(zhǔn)燈S到漫射屏P的距離rs。轉(zhuǎn)動(dòng)尼可爾棱鏡，直到觀察視場(chǎng)出現(xiàn)光度平衡，則有式中，k1、k2分別為兩側(cè)光路光度特性參數(shù)；

0是尼可爾棱鏡的轉(zhuǎn)角。儀器的標(biāo)定常數(shù)第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日用偏光光度計(jì)測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度用儀器測(cè)待測(cè)光源的光強(qiáng)度時(shí)，測(cè)出待測(cè)光源到漫射屏P的距離rc，則式中，是待測(cè)光源C與比較光源V的視場(chǎng)亮度達(dá)到光度平衡時(shí)尼可爾棱鏡的轉(zhuǎn)角。

第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.3用客觀光度法測(cè)量光強(qiáng)度客觀光度法測(cè)量光強(qiáng)度時(shí)，所使用的光接收器是光輻射探測(cè)器，即對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源在接收器全部有效面積上的照度進(jìn)行比較，判斷出待測(cè)光源光強(qiáng)度。如果探測(cè)器位置固定，保持光源座與光輻射探測(cè)器的距離不變，先將標(biāo)準(zhǔn)光源S放在光源座上，測(cè)得光電流為is，再用待測(cè)光源C替換光源S，測(cè)得光電流ic，則可求得待測(cè)光強(qiáng)度Ic：這種方法要求探測(cè)器上的照度必須在探測(cè)器線性工作范圍以內(nèi)。

第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.3用客觀光度法測(cè)量光強(qiáng)度如果將光接收器固定。在距光接收器的一定距離rs上測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)燈的光電流is，用待測(cè)燈換去標(biāo)準(zhǔn)燈，并作水平移動(dòng)，使待測(cè)產(chǎn)生的光電流與標(biāo)準(zhǔn)燈的相同，記下此時(shí)待測(cè)燈的距離rc，則可求得待測(cè)光強(qiáng)度Ic：

這種方法對(duì)探測(cè)器沒(méi)有線性工作要求。

第十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.3用客觀光度法測(cè)量光強(qiáng)度注意：客觀法測(cè)發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，如果標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源有相同的光譜能量分布，則探測(cè)器的光譜響應(yīng)只要求在相應(yīng)光譜范圍內(nèi)有足夠的靈敏度；如果兩光源光譜能量分布不同，就必須使探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)和人眼光譜光視效率V()相一致，才能正確的進(jìn)行測(cè)量。第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.4光強(qiáng)度測(cè)量中應(yīng)注意的問(wèn)題(1)雜散光造成的誤差進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)量時(shí),要嚴(yán)防外來(lái)光線射到探測(cè)器上,尤其要防止周圍物體的一次反射光線。避開(kāi)干擾光的最有效辦法是使用擋屏(圖8-6)。裝上擋屏后，從探測(cè)器表面各點(diǎn)都應(yīng)當(dāng)能看到整個(gè)光源，而除光源外，室內(nèi)各個(gè)位置都應(yīng)被擋屏遮擋。光源的背景應(yīng)該是全黑色的，通常采取在光源后邊放置一個(gè)內(nèi)外表面涂黑的空腔，或在一定距離之外張掛一幅黑色天鵝絨幕。

第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.4光強(qiáng)度測(cè)量中應(yīng)注意的問(wèn)題(2)導(dǎo)軌距離讀數(shù)的精度根據(jù)給定的光強(qiáng)度測(cè)量精度，從描述光強(qiáng)度、照度和距離的關(guān)系可得到所需要的距離讀數(shù)精度，由于距離是平方值，故相對(duì)誤差為

如果光強(qiáng)度測(cè)量時(shí)允許相對(duì)測(cè)量誤差為0.5%。則最大相對(duì)距離精度允許誤差為0.25%。第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.4光強(qiáng)度測(cè)量中應(yīng)注意的問(wèn)題(3)保證光源工作穩(wěn)定為保證所測(cè)光強(qiáng)度數(shù)值的精度要求，對(duì)光源的工作電壓和電流必須有較高精度的控制。例如，對(duì)于某種真空低壓燈泡，發(fā)光強(qiáng)度I隨光源工作電壓V或電流i變化的關(guān)系分別為如果要求光源的發(fā)光強(qiáng)度變化不超過(guò)0.5%，則工作電壓的相對(duì)精度要求為0.15%，工作電流的相對(duì)精度要求為0.08%。即要保證發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定在一定的精度范圍內(nèi)，對(duì)工作電流的精度要求高于對(duì)電壓的要求。

第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1.4光強(qiáng)度測(cè)量中應(yīng)注意的問(wèn)題(4)光度平衡判別中人的主觀誤差為減小主觀誤差，應(yīng)由有經(jīng)驗(yàn)的光度測(cè)量人員進(jìn)行測(cè)量。每次測(cè)量要測(cè)取多次讀數(shù)(例如5~10次)，這樣測(cè)量精度可達(dá)0.2%。此外，對(duì)測(cè)量環(huán)境也有一定的要求，儀器視場(chǎng)的亮度應(yīng)在3~30cd/m2之間，視場(chǎng)要均勻，沒(méi)有污斑、顆粒結(jié)構(gòu)等。環(huán)境亮度不應(yīng)低于15cd/m2。

第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2光通量的測(cè)量光源的發(fā)光強(qiáng)度是光度學(xué)的基本參數(shù)，由其可導(dǎo)出光度學(xué)其它各基本量。因?yàn)榘l(fā)光強(qiáng)度不足以表征光源的完整特性，通常需要使用光通量來(lái)表征它，光通量的單位從發(fā)光強(qiáng)度單位導(dǎo)出，對(duì)各向同性的點(diǎn)光源來(lái)講，其光通量=4I，故只要測(cè)定點(diǎn)光源的發(fā)光強(qiáng)度乘以4就可求得光通量。然而，實(shí)際光源總有一定大小，其光源發(fā)光強(qiáng)度在空間也非均勻分布，故必須采用相應(yīng)的方法進(jìn)行測(cè)量。最常用的是用分布光度計(jì)和積分球來(lái)測(cè)量光通量。

第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)用分布光度計(jì)測(cè)量光源的光通量具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量方法較復(fù)雜，一般在國(guó)家計(jì)量部門(mén)和一些研究單位中使用。(1)測(cè)量原理由發(fā)光強(qiáng)度I和光通量的定義，可得到

如果在不同的空間位置上測(cè)得發(fā)光強(qiáng)度I(,)，就可求出光源的光通量。但對(duì)不同方位發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量則是比較麻煩的。第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)根據(jù)多數(shù)光源的燈絲結(jié)構(gòu)形狀，可近似地認(rèn)為光源的光分布是軸對(duì)稱的，即沿各個(gè)方位角都有同樣的空間光分布(圖8-7)，因此上式可簡(jiǎn)化成

函數(shù)I()的確定也是不容易的。但是，當(dāng)光源的材料是朗伯輻射體，對(duì)于幾種幾何形狀簡(jiǎn)單的物體，可求得其光分布函數(shù)。第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)①

發(fā)光圓片(圖8-8(a))發(fā)光圓片的光強(qiáng)分布為一球體，直徑等于Imax的球與圓片中心相切。②

球面光源(圖8-8(b))球面光源的光強(qiáng)分布也是一個(gè)球體，光源位于球體的中心，Imax為球體的半徑。第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)③

半球面光源(圖8-8(c)，頂面不發(fā)光)光源的光強(qiáng)分布是繞極軸旋轉(zhuǎn)的心臟線。④底面和頂面不發(fā)光的圓柱面光源(圖8-8(d))

光源的光強(qiáng)分布是一個(gè)圓環(huán)面，它由一個(gè)直徑為Imax的圓繞圓柱光源軸線旋轉(zhuǎn)而成。第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)對(duì)于上述幾種特定的光源，只要測(cè)出它們的光強(qiáng)度Imax，就可以分別求出其光通量。雖然實(shí)際生活中的光源很難是完全漫反射體，但對(duì)于幾何形狀類似的光源，可借助以上近似求得相應(yīng)的光強(qiáng)分布和光通量。第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)對(duì)于實(shí)際存在的多數(shù)光源，很難找到其光強(qiáng)空間分布的關(guān)系式，往往采用測(cè)量照度的辦法確定其光通量。光通量可由光源周圍任一封閉面積上的照度分布求出，如果選用半徑為r的任一球體表面作為被測(cè)面，則光通量為式中，E(,)是半徑為r球面上的照度。當(dāng)光源具有軸對(duì)稱特性時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為第二十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)實(shí)際計(jì)算時(shí)，用求和近似代替積分采用等角度法和等立體角法劃分球表面環(huán)帶(圖8-9)第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)(2)分布光度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖8-10是一種分布光度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，接收器Ph是可沿圓弧S滑動(dòng)的光電池，測(cè)量各仰角處光源的照度。圓弧S又能繞垂直軸A轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可測(cè)量光源在不同方位角時(shí)的光通量。由于結(jié)構(gòu)尺寸限制，這種儀器一般只能用于測(cè)量小或中等尺寸的光源。第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.1用分布光度計(jì)在測(cè)量大尺寸光源時(shí)，要求增加光輻射探測(cè)器到光源的距離。為此可使用反射鏡組合結(jié)構(gòu)，增大測(cè)量距離。圖8-11列舉了三種光度計(jì)的反射鏡結(jié)構(gòu)。第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.2用積分球測(cè)量光通量測(cè)量光通量更方便、更常用的方法是利用積分球。將光通量標(biāo)準(zhǔn)燈與待測(cè)燈相比較而得到待測(cè)燈的光通量。積分球的照度由(6-6)式表示(K稱為積分球常數(shù))

在測(cè)得了球壁處出射窗口的照度E后，可得到光通量

第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.2用積分球測(cè)量光通量在實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于需要在積分球內(nèi)安置待測(cè)光源，且為了不讓光線直射探測(cè)器，必須加設(shè)遮擋屏，起到對(duì)光線吸收和阻擋作用，故上式只能近似成立。擋屏和光源尺寸越大，引起的誤差也越大。圖8-12表示了遮擋屏的影響，遮擋屏S阻礙光源L的光到達(dá)AB區(qū)域(包括測(cè)量窗口)，而測(cè)量窗口又不能接收從CD區(qū)域反射的光線。遮擋屏的位置和大小決定了AB和CD區(qū)域的面積。理想的情況應(yīng)使AB、CD區(qū)域最小。實(shí)驗(yàn)和理論證明，遮擋屏放在離待測(cè)燈R/3的距離上最為合理。有人認(rèn)為遮擋屏的直徑為2R/3，但更合適的辦法是由待測(cè)燈尺寸及測(cè)量窗口的大小來(lái)確定。

第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.2用積分球測(cè)量光通量圖8-13中，設(shè)燈的最大尺寸為2l，測(cè)量窗口直徑2h，擋屏半徑r，由圖可得

選擇直徑較大的積分球，可使光源和遮擋屏的尺寸的影響相對(duì)減小，從而減小吸收誤差和遮擋屏誤差。一般積分球直徑至少應(yīng)取燈最大尺寸的6~10倍。

第三十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2.2用積分球測(cè)量光通量對(duì)于具有軸對(duì)稱光強(qiáng)度分布的光源，應(yīng)使光源的光輻射能盡量直接照射到積分球內(nèi)壁。可采用如圖8-14的安置方式。要有效減少光源及遮擋屏引起的光通量測(cè)量誤差可選用代替法測(cè)量光通量。這種方法需要一只光通量標(biāo)準(zhǔn)燈(可由分布光度計(jì)標(biāo)定)，已知其光通量為s。測(cè)量時(shí)，先將標(biāo)準(zhǔn)燈放在積分球中心L處(參見(jiàn)圖8-12)，通電后