第8章 光度量的测量2.ppt

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 应注意的问题应注意的问题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8.3 照度的测量照度的测量光照度的定义：在某个受光面的小面元ds上，接收到入射的光通量为d,则小面元上的照度E=d/ds。如果整个受光面s上照射均匀，总入射通量为，则s面的照度E=/s，单位为lm/m2，或lx。8.3 照度的测量照度的测量光电探测器放大器输出/显示漫射光器减光器校正滤光片 照度计的基本结构是光电测量头及其示数装置。光电测量头包括光电探测元件、光谱修正滤光片以及扩大测量量程的光衰减器(中性滤多片等)。8.3 照度的测量照度的测量为了可靠地测量照度，照度计必须满足以下条件：A.照度计光辐射探测器的光谱响应应符合照度测量的要求 B.探测器的余弦校正 C.照度示值与所测照度有正确的比例关系 D.照度计要定期进行精确标定 E.照计计要有较多强的环境适应 8.3 照度的测量照度的测量A.照度计光辐射探测器的光谱响应应符合照度测量的要求 由于照度计通常用硒光电池或硅光电池、光电倍增管等作为测光部件，其光谱响应和人眼光谱光视效率有较大差别。当进行同色温光源下照度测量时，只要这种光源的色温和种类与照度计标定时所用标准光源的色温、种类一致，就不会产全测量误差。但当待测光源色温或种类与标定光源的不同时，由于测光部件光谱响应和人眼光谱光视效率之间的差异，就会成为引入照度测量误差的重要因素。为了使测光部件的光谱响应符合照度测量的精度要求，可以采用以下的方法。(1)引入修正系数引入修正系数(2)用滤光片与光探测器的组合匹配人眼光谱光视效率用滤光片与光探测器的组合匹配人眼光谱光视效率V()8.3 照度的测量照度的测量B.探测器的余弦校正 根据余弦定理，使用同一光源照射某一表面，表面上的照度随光线入射角而改变。设光线垂直入射时，表面照度为E0；当光线与表面法线夹角为时，表面上的照度为8.3 照度的测量照度的测量8.3 照度的测量照度的测量C.照度示值与所测照度有正确的比例关系照度示值与所测照度有正确的比例关系 要求照度计光电探测器的光电流应与所接收的照度成线性关系。目前精度较高的照度计，在0.01lx至2105lx之间的线性误差小于0.5%。有些照度计在测光部件上还可加一些光衰减器(如中性密度滤光片等)或在信号输出读数显示上加一些固定倍率的衰减，以扩大照度计照度测量范围。D.照度计要定期进行精确标定照度计要定期进行精确标定 使用一段时间后，光探测器会发生老化，即灵敏度发生永久性改变。故照度计应定期进行标定，确定测光部件表面照度与输出光电流或照度计读数之间的关系。照度计的标定装置如图8-20，标定工作在光度导轨上的几个不同的距离上进行，距离以21/2为公比的等比级数来选取，以使每个照度值为前一个值的一半。E.照计计要有较多强的环境适应性照计计要有较多强的环境适应性 环境温度的变化会影响到光探测器的响应度。为避免受温度变化的影响，在精密测量时，应保持25C左右的恒温。8.3 照度的测量照度的测量8.3 照度的测量照度的测量8.4 亮度的测量亮度的测量 亮度是经常要测量的发光体光度特性之一。发光体表面的亮度与其表面状况、发光特性的均匀性、观察方向等有关，因而亮度的测量颇为复杂，且测量的往往是一个小发光面积内亮度的平均值。亮度测量时，可采用用目视法，也可采用客观法。测量亮度可采取与已知亮度直接比较的方式，也可以通过先测定其它光度量而间接计算得出。8.4.1 目视法测量亮度目视法测量亮度 所有目视法的光度量测量都以亮度比较作为基础。目视法测量亮度的原理也是其它光度量目视测量的依据。图8-21是亮度目视测量系统示意图。测量时，使被测亮度Lc与比较亮度Lv各自照亮光度计的一半视场，调节减光盘开口，观察光度计两半视场的亮度，直到相等为止。然后，用已知标准亮度Ls代替被测亮度Lc，按同样方法建立起两半视场的光度平衡。最后根据前后两次减光盘的开口c和s，计算出待测亮度。8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 (1)经测量照度确定发光面的亮度经测量照度确定发光面的亮度 图8-22给出一种采用照度计测量发光面亮度的简单方法：在发光面前加一透光面积为A的光阑，发光面经光阑透光孔发出半辐射;在S处用照度计测得照度值为E。如果光阑开口孔径比光阑与被测面间的距离r小得多，则根据照度的定义可得根据测得的照度值E，可求出代表了面积A内亮度的平均值L。8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 在许多情况下，要把一固定光阑直接和光源接触是困难的(如测量灯丝或熔炼中金属的亮度)。为此，可用一透镜将待测光源成像，由测量光源像的照度确定光源的亮度。图8-24给出利用透镜测量光源亮度的方法。图中A1为待测发光面，经透镜B成像后为A2;l1和l2分别是A1和A2与B的距离;透镜通光面积为S。若A1和A2的直径远小于l1和l2，则光源向透镜B对应立体角发出的光通量为8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 (2)用亮度用亮度计进计进行亮度行亮度测测量量 常用的亮度计用一个光学系统把待测光源表面成像在放置光辐射探测器的平面上。图8-25给出一种亮度计的结构，亮度计的测光系统由物镜B、光阑P、视场光阑C、漫射器和探测器等组成;光阑P与探测器的距离固定，紧靠物镜安置;视场光阑C和漫射器位于探测器平面上;C限制待测发光面的面积。对于不同物距的待测表面，通过物镜的调焦，使待测发光面成像在探测器受光面上。设待测发光面的亮度为L，物镜的透射比，若不考虑亮度在待测表面到物镜之间介质中的损失(物距太长时应考虑)，则在光阑P平面上的亮度为L，像平面上的照度为 光光光光阑阑阑阑P P的的的的设设设设置置置置非非非非常常常常重重重重要要要要，因因因因为为为为如如如如果果果果只只只只用用用用物物物物镜镜镜镜框框框框来来来来限限限限制制制制通通通通光光光光孔孔孔孔面面面面积积积积，那那那那么么么么在在在在测测测测量量量量物物物物距距距距不不不不同同同同的的的的发发发发光光光光表表表表面面面面时时时时，物物物物镜镜镜镜框框框框到到到到像像像像平平平平面面面面的的的的位位位位置置置置将将将将随随随随着着着着物物物物镜镜镜镜的的的的调调调调焦焦焦焦而而而而改改改改变变变变，结结结结果果果果对对对对应应应应不不不不同同同同的的的的物物物物距距距距就就就就有有有有不不不不同同同同的的的的亮亮亮亮度度度度响响响响应应应应度度度度，若若若若对对对对物物物物距距距距的的的的变变变变化化化化不不不不加加加加修修修修正正正正，就就就就会会会会引引引引起起起起亮亮亮亮度度度度测测测测量量量量误误误误差差差差。例例例例如如如如，一一一一种种种种物物物物镜镜镜镜焦焦焦焦距距距距为为为为180mm180mm的的的的亮亮亮亮度度度度计计计计，仪仪仪仪器器器器对对对对2m2m物距进行标定，当用它测量物距进行标定，当用它测量物距进行标定，当用它测量物距进行标定，当用它测量10m10m物距的发光面时，会产生物距的发光面时，会产生物距的发光面时，会产生物距的发光面时，会产生17%17%的误差。的误差。的误差。的误差。(8-38)8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 图8-26 某亮度计结构示意图 8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 图8-26是一种用途广泛的亮度计(Spectra Pritchard光度计)的结构图。物镜将待测表面成像在倾斜45安装上的反射镜上；反射镜上有一系列尺寸不等的圆孔，转动反射镜，将反射镜上直径不同的圆孔导入测量光路，从而改变亮度计测量视场角的大小。目标上待测部分的面积也就由小孔的直径决定。来自目标的光线经物镜成像，穿过小孔和滤光片轮上的滤光片，照到光电倍增管上。光电倍增管的光谱响应已进行修正；经标定产生的信号代表了待测亮度值。待测表面在反射镜上的像向上进入上部取景器，取景器起到取景与调焦功能。取景器的视场比光电倍增管的测量视场大，人眼通过取景器，可看到中央一黑斑，黑斑的大小即亮度计的测量视场。当测量不同距离的目标时，调节物镜前后移动，可使取景器视场内待测表面清晰可见，这时待测表面经物镜成的像正好落在反射镜位于光轴上孔径中心所在的垂直平面上。8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 为满足测量要求，亮度计允许更换物镜。使用焦距17.78cm的标准物镜，视场角约6，在1.5m处可测量0.25cm直径面积内的平均亮度。亮度测量范围为3.42610-4 3.426108 cd/m2。为了测量更远的目标，可换长焦距物镜。如果物镜的焦距为200cm，视场角为0.17，在距离为1.6km时，测量面积为直径约7.6cm的圆。用这种物镜测量亮度，可测目标的最近距离约为10m。物镜焦距长，视场角度小，亮度计测量灵敏度降低，可测的最低亮度值变大。亮度计的最大误差源由其光学系统各表面产生的反射、漫射和杂散光所引起，它们使探测器对仪器视场外的亮度源产生响应。在被测目标的背景较亮时，亮度计必须加上挡光环或使用遮光性能良好的伸缩套。8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 亮度是人眼对光亮感觉产生刺激大小的度量。人眼视觉视场为2，为与人眼明视觉的观察一致，应使亮度计的视场角不超过2。亮度计视场的减小受到探测器灵敏度的限制。因为亮度计得到的是平均亮度，故测量时待测部分应亮度均匀。如果在测量方向上有明显的镜面反射成分，即待测表面的反射和透射特性不均匀，则不同视场角测得的平均亮度将会有明显的差异。若待测亮度表面不能充满亮度计视场，如测量小尺寸点光源或线光源时，应当把光源投影到一块屏上，光源像应有足够大的尺寸。先测得光源像的亮度，再计算出光源的实际亮度。8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 (3)亮度计的标定方法亮度计的标定方法 为保证亮度测量读数的正确性，开始使用之前或经过一段使用时间之后，需要对亮度计进行标定。用高精度照度计进行标定。用光强度标准灯和理想漫射板进行标定。用已知发光强度标准灯标定。用已知的亮度标准灯标定。8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 用高精度照度计进行标定。图8-27是标定系统的示意图，取一稳定的光源照亮乳白玻璃，紧贴乳白玻璃放一光阑，其开孔直径为D；光阑与光源的距离r1应大于光阑口径D的10倍。乳白玻璃为一均匀面光源，在相距r2处用高精度照度计测得照度为E。由亮度与照度的关系可得用待标定的亮度计替换照度计，并保证亮度计光轴垂直于乳白玻璃，调整亮度计，使读数符合(8-39)式计算的数值，标定完毕。8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 用光强度标准灯和理想漫射板进行标定。标定方法如图8-28，漫反射板是反射比为的朗伯反射体，板的照度E=I0/r2，其中，I0是标准灯的发光强度；r是光源到漫反射板的距离。漫反射板的亮度为通过改变r获得不同的亮度值，从而标定亮度计的读数。8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 用已知发光强度标准灯标定。由(8-38)式可知，标定要确定和RE才能得到RL。得到亮度计亮度响应度RL就可确定探测器的输出电压与实际亮度的对应关系。求RE的方法如图8-29所示，发光强度为I0的标准灯放在距测光部件l0的位置，则测的方法如图8-30所示，将一光源放在乳白玻璃屏后面，屏上加一通孔面积为S0的光阑，再把探测器放在距光阑r0的距离上(图8-30(a)，测得输出电压V0。再把亮度计的物镜加上，物镜的通光口径面积为S。把物镜调焦到使光阑像落在测光部件上(图8-30(b)，测得输出电压V。则物镜的透射比8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 8.4.2 客观法测量亮度客观法测量亮度 用已知的亮度标准灯标定。先后将标准灯和待测表面移入亮度计的测量视场，测得标准灯亮度读数V0和待测表面亮度读数V，可得待测表面的亮度。式中，L0是已知标准灯的亮度。