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照度与亮度的测量方法
点击次数：32 时间：2025-07-18
光度量和辐射度量的工程测量是光电检测的重要组成部分，也是研究一切与光辐射有关的物理或化学过程所不可少的内容。例如，对光电或热电探测器特性的研究，对夜天光和各种照明器材的发光特性研究，对物体辐射特性的研究，以及各种测温、控温等技术都离不开光度量和辐射度量的测量。辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量。光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量。因此，辐射度量和光度量都可定量地描述辐射能强度。但辐射度量是辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量；而光度量则还包括了生理学、心理学的概念在内。两者之间通过人眼光谱光视效率V（λ）（视见函数）和最大光谱光视效能K0实现转换。在明视觉条件下，频率为540×1012Hz（λ=0.555μm）单色辐射的最大光谱光视效能Km=683lm/W。暗视觉的转换为0.51μm单色辐射的最大光谱光视效能K`m=1725lm/W。 光度量和辐射度量各自包含着许多对应的量，如强度、亮度、出射度、通量和照度等。在工程测量中大多通过测定通量来确定亮度和照度。其他量一般不直接测量，而是利用亮度或照度值通过各量之间的关系计算得出。例如光度量的计量仪器常见的有光谱照度计和光亮度计。 光度量和辐射度量的测量可以采用多种方法。目前发展最快、采用最多的是光电和热电法的测量。热电法是以热电探测器为光辐射量的接收器，其优点是对检测的光谱无选择性，而缺点是反应速度较慢，灵敏度较低。光电法是用光电探测器作为光辐射的接收器，它的优点是反应迅速，灵敏度高；而缺点是检测对光谱有选择性。此外，对中、远红外辐射测量的光电探测器常需制冷，使设备量增加也是它的不足之处。 光电检测中的计量仪器，都有一定精确度和精密度的要求，通常把精密度叫做对定值测量的重复性。在研制计量仪器过程中重要的是确保必要的精密度，而精确度的保证通常是在保证精密度的基础上，通过对标准量的标定来实现的。 1. 照度的测量 光强度、光通量的测量往往是通过测量照度来实现的，照度测量比其他光度量的测量应用更广泛。 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dΦ，则小面元上的照度E=dΦ/ds。如果整个受光面s上照射均匀，总入射通量为Φ，则s面的照度E=Φ/s，单位为lm/m2，或lx。 目前在实际工作中主要采用客观法测量照度，即将照度计的光辐射探测器放在待测平面，光照引起探测器的光电流，放大后通过仪表或数字读出。对于标定过的照度计，读出的数据代表了所测平面的照度值。 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减光器（中性滤光片等），如图1所示。 图1：照度计原理图 为了可靠地测量照度，照度计必须满足以下条件： （1）光电探测器的光谱响应需要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，就不会产生测量误差。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，一般选用合适的滤光片，修正照度计的光谱响应，使两者组合后的光谱响应尽量接近人眼光谱光视效率。对于硒光电池和硅光电池的光辐射探测器，用现有玻璃滤光片进行V（λ）匹配，其理论计算的误差可在1%以内。 （2）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α时，表面上的照度为 使用照度计测量某一表面上的照度时，光线以不同的角度入射，探测器产生的光电流或者说照度计的读数，也应随入射角的不同而有余弦比例关系。但是由于测量仪器并不能达到各种理想状态，探测器的这种非余弦响应主要是由于菲涅耳反射所致的。为消除或减小探测器的非余弦响应给照度测量带来的误差，设计了多种余弦校正器，如图2所示，余弦校正器的基本原理是利用光电探测器的透镜或漫透玻璃，改变光滑平面的菲涅耳反射作用，从而克服探测器的非余弦响应。 图2：余弦校正器 （3）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2×105lx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。 （4）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。 （5）照度计要有较好的环境适应性。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，应保持恒温。 2 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。 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3所示是一种亮度计的结构，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。 图3：亮度计结构图 设待测发光面的亮度为L，物镜的透射比为τ，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πL，像平面上的照度为 式中，S是光阑P的透光面积，r是光阑P到像平面的距离（不随测量距离不同而改变）。 设探测器的照度响应度为RE，则输出信号V=REE，则亮度计的亮度响应度为 光阑P的设置非常重要，因为如果只用物镜框来限制通光孔面积，那么在测量物距不同的发光表面时，物镜框到像平面的位置将随着物镜的调焦而改变，结果对应不同的物距就有不同的亮度响应度，若对物距的变化不加修正，就会引起亮度测量误差。例如，一种物镜焦距为180mm的亮度计，仪器对2m物距进行标定，当用它测量10m物距的发光面时，会产生约17%的误差。 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。 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。
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