光量測基礎(chǔ)知識介紹（卓立漢光）
一、簡介：
光度測量（photometry）學(xué)是測量人眼對光的響應(yīng)的科學(xué)。
由于人眼是一個高度復(fù)雜的器官，這無疑是一個非常困難的工作。它涉及到多個學(xué)科，心理學(xué)、生理學(xué)和物理學(xué)等。
1924年，CIE（照明委員會）組織會議定義人眼對光平均響應(yīng)值，從此光度測量學(xué)就成為一門現(xiàn)代學(xué)科。該委員會抽樣測試了大量人群，將得到的數(shù)據(jù)繪制成明視（photopic）曲線。該曲線表明人眼對綠光反應(yīng) 敏感，對紫光和紅光則反應(yīng)較弱。
實驗表明，在暗視場情況下，人眼有*不同的響應(yīng)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(shù)。
有了人眼的光譜響應(yīng)曲線，CIE規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)光源作為光強量測的標(biāo)準(zhǔn)。*個標(biāo)準(zhǔn)光源是一特殊的蠟燭，由此得出footcandle和candlepower的定義。為了 大可能的提高重復(fù)性，1948年，對標(biāo)準(zhǔn)進行了重新定義--一定量的金屬鉑融化所發(fā)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(guān)的概念，關(guān)系如下：
lm=683·W·V（λ）
V（λ）-相對發(fā)光度，由視見函數(shù)得出的一個系數(shù)，把人眼在555nm（ 靈敏波長）的值規(guī)定為1
兩個重要的光度學(xué)定理：
1、平方反比定理：連續(xù)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(guān)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(jīng)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(huán)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(chǎn)生相當(dāng)大的誤差，尤其當(dāng)入射角較小時，誤差更大。
光度量測的主要問題是如何再現(xiàn)人眼對光譜的響應(yīng)。電子探頭*的響應(yīng)特征*不同于CIE標(biāo)準(zhǔn)觀者。為此，探頭必須能按光譜校正數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)根據(jù)明視視見函數(shù)進行計算，得到測量結(jié)果。由上可見，該技術(shù)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(fù)雜。
光學(xué)濾光片法提供了一個簡單、經(jīng)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(shè)計技術(shù)的改進，以及固體探測器技術(shù)的提升，提高了該技術(shù)在光度量測上的正確度。
濾光片匹配技術(shù)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(shù)曲線。平面散射的Si光敏二管，在可見光譜范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng)和高的靈敏度，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(shè)計，UDTI公司的光度計與CIE視見函數(shù)曲線僅有1%的誤差。根據(jù)CIE的統(tǒng)計，這是 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(shù)就是f1′，這是由CIE協(xié)會定義的一個數(shù)值，由光度探測器的平均誤差與CIE視見函數(shù)的比值得該數(shù)值。 高精度------實驗室級精度的探測器的f1′<1.5%，一般的應(yīng)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*的響應(yīng)特征，需要與特定厚度和層數(shù)的濾光片結(jié)合。
探測器的響應(yīng)值確定了以后，就要用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移技術(shù)來進行校正。標(biāo)準(zhǔn)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(xù)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(biāo)準(zhǔn)探測器的信號進行對比。
探頭的光響應(yīng)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(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)。
三、重要術(shù)語：
1.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?qū)⑺械墓饽芰渴占焦馓綔y器上，對于發(fā)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。
2.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(dāng)然，探頭不可能有這么大的面積，所以，探頭的面積要相應(yīng)的乘以一定的倍數(shù)。由于探頭的面積不再由被照射的面積決定，因此當(dāng)測量值超過探頭的測量范圍或在矯正光學(xué)的后面時，就要特別注意。
例如，照度測量時，經(jīng)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。
3.光出射度（luminous exitance）
光出射度是表征光源自身性質(zhì)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(fā)射會測試該值。
4.光強（luminous intensity）
光強也是表征光源的性質(zhì)的物理量，是指所有的直射光和發(fā)散光。用均勻發(fā)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(dāng)于1流明/球面度（lumen/steradian）
光強的定義有兩點需要說明：
?、僭摐y量不適用于校正光源；
?、趯Ψ蔷鶆虬l(fā)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(shù)值除以球面角，就得到光強值。
5.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(fā)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(yīng)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(yán)格規(guī)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(dāng)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(jié)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(shù)關(guān)系。
6.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(tǒng)
建立一個光量測系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)（探頭）；最后，為探頭配置電子設(shè)施，以提供應(yīng)用所需的操作界面。
1.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(yīng)緊密相關(guān)，因此，首要的問題是，人眼是如何對被測的光源進行響應(yīng)的。
比方說，測量周圍環(huán)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(guān)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(shù)就要改變了，因為此時人們所關(guān)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， 好是測亮度。
電子顯示，如CRT、電子顯示面板等，發(fā)出的光直接進入人眼，由于文字字符和線條細節(jié)太小，所以測試系統(tǒng)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(jù)定義，要測的量就是光亮度（luminance），因此顯示屏的亮度經(jīng)常用footlambert來表示。
燈源的應(yīng)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(tǒng)，主要是照度測試。但是，在汽車的外部照明應(yīng)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(fā)散光，肯定要測發(fā)光強度。白熾燈和熒光燈生產(chǎn)廠用光通量（或等量的輻射值Watt）來檢驗產(chǎn)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(fā)射光。
激光和發(fā)光二管也需要類似的測試。在科學(xué)應(yīng)用上，一般測試輻射參數(shù)，但是，當(dāng)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(fā)散角，發(fā)光強度（光強）可以很好地表征該性質(zhì)。對于表面或邊發(fā)射的LED，很顯然，發(fā)射光是與表面積相關(guān)的函數(shù)關(guān)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(tǒng)、旋轉(zhuǎn)或掃描燈，光通量都是隨時間變化的光源。
2.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(jù)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(yīng)靈敏度和動態(tài)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(huán)境測量。但當(dāng)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(yè)廣泛應(yīng)用外，對LED、微光源等發(fā)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(tǒng)，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(xué)附件，包括顯微測試和遠程測試。
3.選擇與應(yīng)用匹配的電子設(shè)備
卓立漢光采用UDTI公司的光度探頭都是Si光敏二管，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(shù)關(guān)系，電流信號轉(zhuǎn)化為電壓輸出，用于不同的應(yīng)用需求。
五、如何定量測試輻射系統(tǒng)
選擇一靈敏的探測器和正確的讀數(shù)設(shè)備，對于測試準(zhǔn)確度有著重要的影響。
探測器將電磁波信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后讀取設(shè)備接收到這些信號，并進行處理。校準(zhǔn)測試系統(tǒng)會測試光源，而且用某一合適的光學(xué)單位顯示出測試結(jié)果。
其顯示單位應(yīng)根據(jù)各自的特性來選擇，且探測器的選擇應(yīng)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(zhǔn)確的測試單位，能測試光源。
1.光源因素：
正如前面“重要參數(shù)”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(fā)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(xiàn)，用一個狹縫和擋板來確定探測器接收角度。測試過程應(yīng)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(guān)。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(xiàn)。
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， 好用光亮度來描述。
2.能量測試：
測試脈沖光源要考慮特殊因素。光學(xué)能量的標(biāo)準(zhǔn)單位為焦耳。能量測試時對信號在一段時間內(nèi)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(yīng)，探測器飽和會呈現(xiàn)出非線性變化，從而產(chǎn)生測量錯誤。
3.波長及光學(xué)濾波器：
光學(xué)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(diào)節(jié)探測器的響應(yīng)，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(shè)計的。一些濾波器和探測器組合必須要校準(zhǔn)以保證測試的準(zhǔn)確度。
一探測器/濾波器組合，達到均一的響應(yīng)，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(zhǔn)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(fā)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。
4.硅和鍺作為光測量物質(zhì)：
鍺和硅非常適合用來測時光信號。這些物質(zhì)通過光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。在探測器的輸入范圍內(nèi)電磁波的轉(zhuǎn)換及探測器反映是線性的。
