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光度量的测量-第1页，本讲稿共39页第第8章章 光度量的测量光度量的测量 8.1 发光强度的测量发光强度的测量8.1.1 在光度导轨上测量在光度导轨上测量8.1.2 用偏光光度计测量用偏光光度计测量8.1.3 用客观光度法测量用客观光度法测量8.1.4 测量中应注意的问题测量中应注意的问题 8.2 光通量的测量光通量的测量 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 8.2.2 用积分球用积分球 8.3 照度的测量照度的测量 8.4 亮度的测量亮度的测量 第2页，本讲稿共39页8.1 发光强度的测量发光强度的测量 发发光光强强度度的的测测量量可可用用目目视视光光度度法法测测量量，也也可可用用客客观观光光度度法法测测量量。测测量量可可在在光光度度导导轨轨上上运运用用平平方方反反比比定定律律来来进进行行。发光强度发光强度(I,单位坎德拉单位坎德拉,cd,lmsr-1)第3页，本讲稿共39页8.1.1 在光度导轨上测量发光强度在光度导轨上测量发光强度 第4页，本讲稿共39页8.1.1 在光度导轨上测量发光强度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，则有第5页，本讲稿共39页8.1.1 在光度导轨上测量发光强度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。第6页，本讲稿共39页8.1.1 在光度导轨上测量发光强度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；第7页，本讲稿共39页8.1.1 在光度导轨上测量发光强度在光度导轨上测量发光强度 在测量时，如果光光度度计计内内两两条条光光路路系系统统不不对对称称或或者者漫漫射射屏屏两两平平面面的的反反射射比比不不一一样样将将会会引引起起附附加加的的测测量量误误差差。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。第8页，本讲稿共39页8.1.1 在光度导轨上测量发光强度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：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。第9页，本讲稿共39页8.1.1 在光度导轨上测量发光强度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。第10页，本讲稿共39页8.1.2用偏光光度计测量发光强度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。第11页，本讲稿共39页8.1.2用偏光光度计测量发光强度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。第12页，本讲稿共39页8.1.2用偏光光度计测量发光强度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。仪器的标定常数第13页，本讲稿共39页8.1.2用偏光光度计测量发光强度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。第14页，本讲稿共39页8.1.3 8.1.3 用客观光度法测量光强度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，即对标标准准光光源源和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。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。第15页，本讲稿共39页8.1.3 8.1.3 用客观光度法测量光强度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。第16页，本讲稿共39页8.1.3 8.1.3 用客观光度法测量光强度用客观光度法测量光强度 注意：注意：客客观观法法测测发发光光强强度度时时，如如果果标标准准光光源源和和待待测测光光源源有有相相同同的的光光谱谱能能量量分分布布，则则探探测测器器的的光光谱谱响响应应只只要要求求在在相相应应光光谱谱范范围围内内有有足足够够的的灵灵敏敏度度；如如果果两两光光源源光光谱谱能能量量分分布布不不同同，就就必必须须使使探探测测器器的的相相对对光光谱谱响响应应和和人人眼眼光光谱谱光光视视效效率率V V()相相一一致致，才才能能正正确确的的进进行行测量。测量。第17页，本讲稿共39页8.1.4 8.1.4 光强度测量中应注意的问题光强度测量中应注意的问题 (1)(1)杂散光造成的误差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。第18页，本讲稿共39页8.1.4 8.1.4 光强度测量中应注意的问题光强度测量中应注意的问题 (2)2)导轨距离读数的精度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%。第19页，本讲稿共39页8.1.4 8.1.4 光强度测量中应注意的问题光强度测量中应注意的问题 (3)3)保证光源工作稳定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。第20页，本讲稿共39页8.1.4 8.1.4 光强度测量中应注意的问题光强度测量中应注意的问题 (4)(4)光度平衡判别中人的主观误差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。第21页，本讲稿共39页8.2 8.2 光通量的测量光通量的测量 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。最常用的是用分分布布光光度度计计和积积分分球球来测量光通量。第22页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 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)(1)测量原理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。第23页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 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。第24页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 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。第25页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 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。第26页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 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。第27页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 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，上式可简化为第28页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 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)第29页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 (2)(2)分布光度计的结构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。第30页，本讲稿共39页8.2.1 8.2.1 用分布光度计用分布光度计 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。第31页，本讲稿共39页8.2.2 8.2.2 用积分球测量光通量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 第32页，本讲稿共39页8.2.2 8.2.2 用积分球测量光通量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。第33页，本讲稿共39页8.2.2 8.2.2 用积分球测量光通量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。第34页，本讲稿共39页8.2.2 8.2.2 用积分球测量光通量用积分球测量光通量对于具有轴对称光强度分布的光源，应使光源的光辐射能尽量直接照射到积分球内壁。可采用如图8-14的安置方式。要有效减少光源及遮挡屏引起的光通量测量误差可选用代替法测量光通量。这种方法需要一只光通量标准灯(可由分布光度计标定)，已知其光通量为s。测量时，先将标准灯放在积分球中心L处(参见图8-12)，通电后，在测量窗口测得照度Es用待测灯替换标准灯，并测量照度,比较两式得 测量方法要求标准灯与待测灯有类似的外形尺寸，否则由于两个光源外形对光线的吸收作用不同，仍会引起误差。第35页，本讲稿共39页8.2.2 8.2.2 用积分球测量光通量用积分球测量光通量当标准灯与待测灯的外形尺寸相差较大时，可以采用辅助灯代替法测光通量。当标准灯与待测灯的外形尺寸相差较大时，可以采用辅助灯代替法测光通量。引入辅助灯求出Ks/Kc。在积分球中放一盏辅灯V(图8-15),将待测灯放入积分球，点燃辅助灯，而待测灯不工作，测得照度移出待测灯换入标准灯(也不工作)，点燃辅助灯再测得照度。第36页，本讲稿共39页8.2.2 8.2.2 用积分球测量光通量用积分球测量光通量由此可得代入光通量计算公式得用代替法测光通量时，还应当估计待测灯和标准灯光谱辐射特性差异对测量的影响。用代替法测光通量时，还应当估计待测灯和标准灯光谱辐射特性差异对测量的影响。第37页，本讲稿共39页8.2.2 8.2.2 用积分球测量光通量用积分球测量光通量 设标准灯的光谱通量为s()，待测灯的为c()，则其光通量之比为 在积分球出口处的亮度之比为第38页，本讲稿共39页8.2.2 8.2.2 用积分球测量光通量用积分球测量光通量在光度导轨上由两个光源在积分球出口处产生的亮度比来确定其光通量比值时，只有满足下列条件之一才不会产生测量误差：两光源有相同的光谱能量分布；在可见谱段内，积分球涂层具有中性的光谱反射特性，这时()等于常数。硫酸钡、海化等涂层材料满足此条件。按上式引入括号内的修正系数十分复杂，实际上不采用。第39页，本讲稿共39页