第八章_光度量的測量1

1、第八章第八章 光度量的測量光度量的測量 光度量是平均人眼接收輻射能引起視覺神經(jīng)刺激程度的光度量是平均人眼接收輻射能引起視覺神經(jīng)刺激程度的 度量度量。光度量的測量主要包括光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度和光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度和 亮度亮度的測量，這些光度量是在可見光范圍內(nèi)平均人眼受到 光刺激程度的度量，是可見光范圍內(nèi)各波長光對人眼刺激 的積分值。 在光度量的測量中，根據(jù)接收器不同(用人眼接收或物理 探測器接收)，可分為兩種測量方法：以人眼作為接收器稱 為目視光度法目視光度法；以物理探測器，如光敏元件、照相底片等， 作為接收器的稱為客觀光度法客觀光度法。目前在光度測量領(lǐng)域，目 視光度法有被客觀光度法取代的趨

2、勢。由于光度測量原則 上是使用平均人眼作為評價標(biāo)準(zhǔn)的，因此掌握光度量的目 視光度測量方法仍是很重要的。 第第8章章 光度量的測量光度量的測量 8.1 發(fā)光強(qiáng)度的測量發(fā)光強(qiáng)度的測量 8.1.1 在光度導(dǎo)軌上測量在光度導(dǎo)軌上測量 8.1.2 用偏光光度計測量用偏光光度計測量 8.1.3 用客觀光度法測量用客觀光度法測量 8.1.4 測量中應(yīng)注意的問題測量中應(yīng)注意的問題 8.2 光通量的測量光通量的測量 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 8.2.2 用積分球用積分球 8.3 照度的測量照度的測量 8.4 亮度的測量亮度的測量 8.1 發(fā)光強(qiáng)度的測量發(fā)光強(qiáng)度的測量 發(fā)光強(qiáng)度的測量可用目視光度法測量

3、，也可用客發(fā)光強(qiáng)度的測量可用目視光度法測量，也可用客 觀光度法測量。測量可在光度導(dǎo)軌上運(yùn)用平方反觀光度法測量。測量可在光度導(dǎo)軌上運(yùn)用平方反 比定律來進(jìn)行比定律來進(jìn)行。 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度(I, 單位坎德拉單位坎德拉, cd, lmsr-1) d I d 光強(qiáng)基準(zhǔn)與光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈光強(qiáng)基準(zhǔn)與光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈 n作為光強(qiáng)單位的基準(zhǔn)器應(yīng)滿足的條件作為光強(qiáng)單位的基準(zhǔn)器應(yīng)滿足的條件: : . .具有一定的強(qiáng)度和光譜功率分布具有一定的強(qiáng)度和光譜功率分布 . .具有很好的重復(fù)性，長時間點燃其光強(qiáng)數(shù)值保具有很好的重復(fù)性，長時間點燃其光強(qiáng)數(shù)值保 持不變持不變 . .制備及使用方便制備及使用方便 n光強(qiáng)基準(zhǔn)基本單位的演變歷史光

4、強(qiáng)基準(zhǔn)基本單位的演變歷史: : . .早期基準(zhǔn)早期基準(zhǔn): : 蠟燭蠟燭卡塞爾燈卡塞爾燈(1800(1800年年)尖頭鈉燈尖頭鈉燈(1884-1940(1884-1940年年) ) . .白熾體基準(zhǔn)和白熾體基準(zhǔn)和“小數(shù)小數(shù)”基準(zhǔn)基準(zhǔn) . .臨時臨時“國際燭光國際燭光” . .黑體基準(zhǔn)和新燭光黑體基準(zhǔn)和新燭光 . .新燭光變成坎德拉新燭光變成坎德拉 光源簡史光源簡史 1970 LED 1973 小型硬玻 璃鹵鎢燈 1990 氫化物燈 1991 緊湊型熒 光燈 1992 小功率金 鹵燈 1994 硫燈 2000 LEP 2001 OLEP 2005201020152020 1900 泛光燈 1901

5、 高壓汞燈 1905 60 W碳絲燈 1907 鎢絲燈 1913 充氣燈 1930 閃光燈 1932 鈉燈 1937 熒光燈 1940 PAR燈 1950 激光 1960 金鹵燈和 石英鹵鎢燈 1968 60 W雙螺 旋鎢絲燈 45億年前 太陽 40萬年前 火炬和篝火 2萬年前 動植物油燈 7000年前 礦物油燈 5000年前 蠟燭 1650 第一盞街燈 1820 石灰光 1856 真空燈 赫爾曼斯普 蘭格 1874 白熾燈 伍德沃和埃 文斯 1879 愛迪生燈泡 和斯旺的真 空泡 1881 愛迪生照明系 統(tǒng)首次用于輪 船哥倫比亞號 拉特默的碳絲 燈 n光強(qiáng)基準(zhǔn)光強(qiáng)基準(zhǔn)( (次級基準(zhǔn)次級基準(zhǔn))

6、 )副基準(zhǔn)燈和工作基副基準(zhǔn)燈和工作基 準(zhǔn)燈組成準(zhǔn)燈組成 . .次級基準(zhǔn)的作用次級基準(zhǔn)的作用: :由副基準(zhǔn)燈保存量值，再通過由副基準(zhǔn)燈保存量值，再通過 工作基準(zhǔn)燈向下進(jìn)行量值傳遞工作基準(zhǔn)燈向下進(jìn)行量值傳遞 . .我國選用光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈系列中的我國選用光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈系列中的BDQ7BDQ7和和BDQ8BDQ8作為作為 副級基準(zhǔn)燈和工作基準(zhǔn)燈副級基準(zhǔn)燈和工作基準(zhǔn)燈 . .光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈的形狀光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈的形狀: :圓柱形、正圓錐形、斜圓錐圓柱形、正圓錐形、斜圓錐 形、圓球形等形、圓球形等( (我國采用圓球形我國采用圓球形) ) 4.4.作為標(biāo)準(zhǔn)燈的首要條件是作為標(biāo)準(zhǔn)燈的首要條件是: :穩(wěn)定性要好穩(wěn)定性要好即每次即

7、每次 燃點時應(yīng)保持同樣的光強(qiáng)燃點時應(yīng)保持同樣的光強(qiáng) 真空泡量值波動為：真空泡量值波動為：(0.2-0.5)%(0.2-0.5)% 充氣泡量值波動為：充氣泡量值波動為：(0.4-1)%(0.4-1)% 5.5.光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈的使用及其要求：光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈的使用及其要求： 燈泡質(zhì)量要好燈泡質(zhì)量要好: :泡殼應(yīng)無色透明泡殼應(yīng)無色透明, ,無泛堿、發(fā)霧和無泛堿、發(fā)霧和 波紋、氣泡等缺陷，發(fā)光要穩(wěn)定（注：新制標(biāo)準(zhǔn)波紋、氣泡等缺陷，發(fā)光要穩(wěn)定（注：新制標(biāo)準(zhǔn) 燈發(fā)光不穩(wěn)定應(yīng)老練到全壽命的燈發(fā)光不穩(wěn)定應(yīng)老練到全壽命的10%10%，通常是在，通常是在 高于工作電壓的高于工作電壓的5%5%，老練，老練50-8050-80

8、小時）小時） 供電電源精度高（穩(wěn)定性好供電電源精度高（穩(wěn)定性好常用直流供電電源）常用直流供電電源） 標(biāo)準(zhǔn)燈點燃時應(yīng)逐漸點亮，在穩(wěn)定電流（電壓）標(biāo)準(zhǔn)燈點燃時應(yīng)逐漸點亮，在穩(wěn)定電流（電壓） 下預(yù)熱真空泡下預(yù)熱真空泡5 5分鐘左右，充氣泡預(yù)熱分鐘左右，充氣泡預(yù)熱1010分鐘左分鐘左 右，待發(fā)光穩(wěn)定后再開始測量右，待發(fā)光穩(wěn)定后再開始測量 測量時應(yīng)經(jīng)常更換極性（每小時換一次）。標(biāo)準(zhǔn)測量時應(yīng)經(jīng)常更換極性（每小時換一次）。標(biāo)準(zhǔn) 燈在使用燈在使用30-6030-60小時后，要用上一級標(biāo)準(zhǔn)燈重新小時后，要用上一級標(biāo)準(zhǔn)燈重新 定標(biāo)，若使用時間少于這個值，經(jīng)一年后應(yīng)重新定標(biāo)，若使用時間少于這個值，經(jīng)一年后應(yīng)重新 定

9、標(biāo)定標(biāo) 8.1.1 在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度 8.1.1 在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度 實際上漫射屏總有一定的厚度。設(shè)屏厚度為2t，則有 22 ()() sc sc sc II rtrt 22 22 ()11 12 () () scsc css cscscs rtr IIIt rtrrr 8.1.1 在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度 為了方便起見，實際上往往使用(8-1)式計算Ic。這樣由于反射屏厚 度的影響, 將引入測量誤差。若要使一誤差小于0.1%，即 11 2 ()0.001 cs t rr 例如：2t=4mm, 則有 (m)，

10、如果rs=1.5m，則可解 得 0.25 csc s rrrr 1.12.4 c r 當(dāng)測量精度要求較高，而測量時實際rs和rc相差較大時，應(yīng)用(8-2)式 把反射屏厚度的影響考慮進(jìn)去 。 8.1.1 在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度在光度導(dǎo)軌上測量發(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)?2 2 c cs s r II r 式中，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； 8.1.1 在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度 在測量時，如果光度計內(nèi)兩條光路系統(tǒng)不對稱或者漫射屏兩平面的光度計內(nèi)兩條光路系統(tǒng)不對稱或者漫射屏兩平面的 反射比不一樣將會引起

11、附加的測量誤差反射比不一樣將會引起附加的測量誤差。為消除這種誤差可采用比 較測量法，此時除了用標(biāo)準(zhǔn)燈及待測燈外，還要使用一只比較燈(V 燈)。對于比較燈只要求光強(qiáng)度在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，不必預(yù)先知 道其數(shù)值。 2 2 c cs s r II r 8.1.1 在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度 當(dāng)待測光源與標(biāo)準(zhǔn)光源色溫相差較大時，可采用以下幾種方法減小當(dāng)待測光源與標(biāo)準(zhǔn)光源色溫相差較大時，可采用以下幾種方法減小 測量誤差：測量誤差： 用濾光片或色溶液加在待測光源一側(cè)，使光度計中待測光路視場 的光色與標(biāo)準(zhǔn)光路視場的光色相一致。 2 2 c vcs s r II r 760 380 76

12、0 380 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) v Vd Vd v是濾光片或色溶液的目視透射比 ；()是待測光源的光譜輻射通 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。計算Ic時要除去v的影響。 8.1.1 在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度在光度導(dǎo)軌上測量發(fā)光強(qiáng)度 閃爍法可用于測量與標(biāo)準(zhǔn)光源色調(diào)相差較大的待測光源的光強(qiáng)度。 閃爍法是根據(jù)人眼對間斷光的響應(yīng)特性而設(shè)計。閃爍法測發(fā)光強(qiáng)度 要使用閃爍光度計，圖8-3是艾夫斯-布里德(Ives-Brady)閃爍光度 計的測量光學(xué)系統(tǒng)圖。 艾夫斯認(rèn)為：對異色光來說， 閃爍法在所有比較測量法中 精度最高，重復(fù)性最好。當(dāng) 用作比較的光

13、源之間色差不 很大時，由熟練的觀察者操 縱閃爍光度計，測量的相對 精度可達(dá)0.51%。使用閃爍 光度計時，很快會導(dǎo)致人眼 疲勞，因此，測量時間一般 不應(yīng)超過一小時。 8.1.2用偏光光度計測量發(fā)光強(qiáng)度用偏光光度計測量發(fā)光強(qiáng)度 測量方法操作簡單，無需在光度導(dǎo)軌上移 動測量部件。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 為兩個比較光源，由a發(fā)出的光經(jīng)過平凸 透鏡和渥拉斯頓棱鏡分成兩束光(圖中分 別用實線和虛線表示)，它們的偏振方向 是正交的。再經(jīng)過雙棱鏡，又把每一束光 分成向不同方向折轉(zhuǎn)的兩束。這樣通過望 遠(yuǎn)系統(tǒng)觀察時，就可看到4個分開的點。 現(xiàn)在用光闌擋去三束，

14、只留下圖中a1部分； 由b光源來的光也一樣被遮去三束，預(yù)先 設(shè)計好雙棱鏡的角度，使得來自b光源的 光束b2和a1正好在觀察者眼中重合，這時 b2和a1的偏振方向剛好正交。 8.1.2用偏光光度計測量發(fā)光強(qiáng)度用偏光光度計測量發(fā)光強(qiáng)度 馬丁斯偏光光度計的結(jié)構(gòu)如圖 8-5所示。在測量發(fā)光強(qiáng)度時， 使待測光源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)它的檢偏角相對零位為 ， 則 通 過 它 后W 1 的 亮 度 減 為 L W1cos 2 ，W 2的亮度減為 LW

15、1sin2 。儀器可繞ZZ、LL 軸轉(zhuǎn)動，保證待測光源C可垂 直照亮漫射屏P。 8.1.2用偏光光度計測量發(fā)光強(qiáng)度用偏光光度計測量發(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)動尼可爾 棱鏡，直到觀察視場出現(xiàn)光度平衡，則有 22 1020 2 cossin s v s I kk E r 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) 2 2 0 2 1 ctg s v s Ik CE kr 8.1.2用偏光光度計測量發(fā)光強(qiáng)度用偏光光度計測量發(fā)光強(qiáng)度 用儀器測待測光源的光強(qiáng)度時

16、，測出待測光源到漫射屏P的距離rc， 則 式中，是待測光源C與比較光源V的視場亮度達(dá)到光度平衡時尼可 爾棱鏡的轉(zhuǎn)角。 2 2 ctg c c I C r 22 tg cc ICr 8.1.3 8.1.3 用客觀光度法測量光強(qiáng)度用客觀光度法測量光強(qiáng)度 客觀光度法測量光強(qiáng)度時，所使用的光接收器是光輻射探測器， 即對標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源在接收器全部有效面積上的照度進(jìn)行比標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源在接收器全部有效面積上的照度進(jìn)行比 較，判斷出待測光源光強(qiáng)度。較，判斷出待測光源光強(qiáng)度。 如果探測器位置固定，保持光源座與光輻射探測器的距離不變， 先將標(biāo)準(zhǔn)光源S放在光源座上，測得光電流為is，再用待測光源C替 換光源

17、S，測得光電流ic，則可求得待測光強(qiáng)度Ic： 這種方法要求探測器上的照度必須在探測器線性工作范圍以內(nèi)。 c cs s i II i 8.1.3 8.1.3 用客觀光度法測量光強(qiáng)度用客觀光度法測量光強(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 得標(biāo)準(zhǔn)燈的光電流is，用待測燈換去標(biāo)準(zhǔn)燈，并作水平 移動，使待測產(chǎn)生的光電流與標(biāo)準(zhǔn)燈的相同，記下此時 待測燈的距離rc，則可求得待測光強(qiáng)度Ic： 這種方法對探測器沒有線性工作要求。 2 2 c cs s r II r 光度頭光度頭- -光電池的特性光電池的特性 n光電池的工作原理與特性：光電池的工作原理與特性： 1.1.工作原理工作原理: :光

18、生伏特效應(yīng)（內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)（內(nèi)光電效應(yīng): :光電光電 池受光照射就會產(chǎn)生電勢差池受光照射就會產(chǎn)生電勢差) ) 2.2.最大特點是最大特點是: :不需外加工作電壓，只要有光照不需外加工作電壓，只要有光照 就能產(chǎn)生電勢差，對外輸出電功率就能產(chǎn)生電勢差，對外輸出電功率 3.3.當(dāng)用作光度頭時，工作在反向偏置狀態(tài)當(dāng)用作光度頭時，工作在反向偏置狀態(tài) n光電池的漂移現(xiàn)象：光電池的漂移現(xiàn)象： 1.1.漂移現(xiàn)象漂移現(xiàn)象: :光電池在長期遮蓋以后暴露在光線照光電池在長期遮蓋以后暴露在光線照 射下射下, ,當(dāng)受照面的照度不變時當(dāng)受照面的照度不變時, , 在最初一段時間里光電池電流在最初一段時間里光電池電流

19、 是逐漸變化的是逐漸變化的, ,有時上升有時下有時上升有時下 降降; ;當(dāng)照射一段時間后趨于穩(wěn)定當(dāng)照射一段時間后趨于穩(wěn)定, , 這種現(xiàn)象稱為光電池的漂移現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為光電池的漂移現(xiàn)象 ( (光電池結(jié)構(gòu)如圖光電池結(jié)構(gòu)如圖) ) 電流計 入射光 半透明電極 環(huán)形電極 半導(dǎo)體硅 金屬底板 環(huán)形電極 光電池結(jié)構(gòu) 2.2.漂移現(xiàn)象的影響因素：漂移現(xiàn)象的影響因素： 受光面的照度受光面的照度: :照度照度漂移漂移; ;照度照度漂移漂移 不同顏色的光入射到光電池上時不同顏色的光入射到光電池上時, ,漂移現(xiàn)象也不漂移現(xiàn)象也不 同同 漂移現(xiàn)象隨光電池所處的溫度的改變而改變漂移現(xiàn)象隨光電池所處的溫度的改變而改變

20、n光電池的積分靈敏度與光譜靈敏度：光電池的積分靈敏度與光譜靈敏度： 1.1.定義定義: :探測器光電流的輸出值探測器光電流的輸出值i ip p與入射到探測器與入射到探測器 上的光通量上的光通量之比稱之為光電池的積分靈敏之比稱之為光電池的積分靈敏 度用度用S S表示表示 2.2.公式公式: : 3.3.單位單位: :A/lmA/lm 4.4.光譜靈敏度與積分響應(yīng)度分布光譜靈敏度與積分響應(yīng)度分布( (如下圖如下圖) ) / p Si n光電池的線性和測量電路：光電池的線性和測量電路： 1.1.硒光電池的等效電路及通過電流表的電路電流硒光電池的等效電路及通過電流表的電路電流 ( (測量電流測量電流)

21、 )當(dāng)有光入射時當(dāng)有光入射時, ,形成電流形成電流: : 而而 又由右電路圖知又由右電路圖知: : 故若故若RminRmin時時,i,i2 2和和成線性關(guān)系成線性關(guān)系 12p iii / pp SiiS 1222 /()/ p iiiiiR r 2p rr iiS RrRr Se c r p i 1 i A B G 2 i G 2.2.測量電路：測量電路： 保持保持SeSe光電池的電流光電池的電流i i與入射光通量與入射光通量具有很好具有很好 的線性關(guān)系的最佳方法的線性關(guān)系的最佳方法: :盡量采用外回路內(nèi)阻小盡量采用外回路內(nèi)阻小 的電測儀表，在精度要求不高的情況下，可用低的電測儀表，在精度要求

22、不高的情況下，可用低 內(nèi)阻內(nèi)阻0.50.5級微安表測量級微安表測量; ;高精度測量時高精度測量時, ,可用多量可用多量 程檢流計或程檢流計或i-Vi-V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器. . 2.2.作精密測量時的實用電路：作精密測量時的實用電路： 當(dāng)光照射當(dāng)光照射SeSe光電池時光電池時, ,按下補(bǔ)償電路中的開關(guān)按下補(bǔ)償電路中的開關(guān)K,K,調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 使使 ，此時，此時G G2 2的讀數(shù)的讀數(shù)i i2 2便是通過光電便是通過光電 池的光電流池的光電流i i2 2 123 RRR、 、 GG ii 2 GK B G i A 2 i 1 R 3 R2 R G i 1 G 2 GK n光電池的光譜響應(yīng)度分布：光電池的

23、光譜響應(yīng)度分布： 1.1.定義定義: :光電池對不同波長的入射光響應(yīng)度不一樣光電池對不同波長的入射光響應(yīng)度不一樣, , 將響應(yīng)度按波長排列所畫成的曲線，稱為光電池將響應(yīng)度按波長排列所畫成的曲線，稱為光電池 的光譜響應(yīng)度分布的光譜響應(yīng)度分布; ;通常將響應(yīng)度曲線的最大值通常將響應(yīng)度曲線的最大值 定為定為1,1,求出其它響應(yīng)度對這一最大值的相對值求出其它響應(yīng)度對這一最大值的相對值, , 將其繪成的曲線稱為相對光譜響應(yīng)度分布用將其繪成的曲線稱為相對光譜響應(yīng)度分布用S S（ （） 表示表示 2.2.由圖知由圖知: :在光電池的前面加上在光電池的前面加上V V( ( ) )修正濾光片后 修正濾光片后,

24、, 它的光譜響應(yīng)度分布它的光譜響應(yīng)度分布S S（ （）與光譜光視效率 與光譜光視效率V V( ( ) ) 很接近很接近 3.3.光電池使用要求光電池使用要求: : 使用前應(yīng)在允許的照度范圍內(nèi)曝光幾個小時以使用前應(yīng)在允許的照度范圍內(nèi)曝光幾個小時以 上，經(jīng)足夠的時間老化后上，經(jīng)足夠的時間老化后, ,待其響應(yīng)趨于穩(wěn)定待其響應(yīng)趨于穩(wěn)定 后，再正式用于光度測量。后，再正式用于光度測量。 n光電流的輸出值與余弦定則的偏離光電流的輸出值與余弦定則的偏離: : 1.1.光電流的余弦定則：光電流的余弦定則： 當(dāng)有光線斜射向光電池時有當(dāng)有光線斜射向光電池時有: : 若若 則則 2.2.測量的光電流與余弦定則的偏差

25、測量的光電流與余弦定則的偏差: : 0 cosEE iE 2( )2(0) cosii 2(0)2( ) cosii 測 光電法測量光強(qiáng)光電法測量光強(qiáng) n光電法測量中的光電接收器光電法測量中的光電接收器: : 1.1.光電接收器的光譜靈敏度與人眼要一致光電接收器的光譜靈敏度與人眼要一致: : 常用硒常用硒(Se)(Se)光電池或硅光電池或硅(Si)(Si)光電池作光電接受器光電池作光電接受器 為使光電池的為使光電池的S S（ （) )與人眼的光譜光視效率 與人眼的光譜光視效率V V( ( ) )很 很 接近接近, ,在光電池的前面加上在光電池的前面加上V V( ( ) )修正濾光器與光電 修正

26、濾光器與光電 池組合使用即可池組合使用即可 .V.V( ( ) )修正濾光器種類 修正濾光器種類: : 固體濾光器固體濾光器: :由由LBLB6 6和和LBLB16 16組成組成. . 其特點是其特點是: :性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定, ,光譜透射比不改變光譜透射比不改變, ,可以長可以長 時間使用時間使用, ,但配制不容易但配制不容易. . 液體濾光器液體濾光器: :它是幾種鹽配成厚度為它是幾種鹽配成厚度為10mm10mm的水溶的水溶 液液. . 其特點是其特點是: :可通過調(diào)節(jié)水溶液的濃度對光電池進(jìn)可通過調(diào)節(jié)水溶液的濃度對光電池進(jìn) 行修正行修正, ,但光譜透射比不穩(wěn)定但光譜透射比不穩(wěn)定, ,易受溫度

27、變化而使?jié)庖资軠囟茸兓節(jié)?度改變度改變, ,使用不便使用不便 .V.V( ( ) )修正濾光片常用配方： 修正濾光片常用配方： 配方一：重鉻酸鉀配方一：重鉻酸鉀0.06-0.09g0.06-0.09g 硫酸銨鈷硫酸銨鈷 1-3g1-3g 氯化銅氯化銅 3-6g3-6g 蒸餾水蒸餾水 100ml100ml 配方二配方二: :重鉻酸鉀重鉻酸鉀 0.05-0.07g0.05-0.07g 硫酸銨鈷硫酸銨鈷 5-7g5-7g 蒸餾水蒸餾水 100ml100ml 4.V4.V( ( ) )修正濾光片的光譜透過率 修正濾光片的光譜透過率( ( ) ): : S S( () )- -硒 硒(Se)(Se)

28、光電池的光譜靈敏度光電池的光譜靈敏度 K K比例常數(shù)比例常數(shù) ( )( )( ) SK n光電法測光強(qiáng)的方法與步驟：光電法測光強(qiáng)的方法與步驟： 1.1.示意圖如下：示意圖如下： x I s I x r s r s L x L （） 濾 光 片 e s 光 電 池 2.2.測量原理：測量原理： LsLs照射硒照射硒(Se)(Se)光電池時有光電池時有 電流表的讀電流表的讀 數(shù)為數(shù)為 ,Lx,Lx照射硒照射硒(Se)(Se)光電池時有光電池時有 電流表電流表 的讀數(shù)為的讀數(shù)為 , ,若若 則有則有 即即 2 / sss EIr 2 / xxx EIr sx EE 22 / ssxx IrIr 2

29、(/) xsxs IIrr A A AA 3.3.測量步驟測量步驟: : 按按1 1中的示意圖裝好器材中的示意圖裝好器材 讓讓LsLs照射硒照射硒(Se)(Se)光電池光電池, ,記下光電流讀數(shù)記下光電流讀數(shù)A,A,此時此時 的照度為的照度為: : 將光電池旋轉(zhuǎn)將光電池旋轉(zhuǎn) , ,讓讓LxLx照射硒照射硒(Se)(Se)光電池光電池, ,調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) ，使光電流的大小值為，使光電流的大小值為A,A,此時的照度為此時的照度為: : 利用公式利用公式 計算出待測燈光強(qiáng) 計算出待測燈光強(qiáng) 2 / sss EIr 2 / xxx EIr 2 (/) xsxs IIrr 180 x r x I 4.4.注

30、意事項注意事項: : Ls Ls、LxLx、V V( ( ) )修正濾光片、 修正濾光片、SeSe光電池的光心在光電池的光心在 同一直線上同一直線上 r rS S10Ls 10Ls r rx x 10Lx10Lx LsLs、LxLx燈在額定電壓下工作燈在額定電壓下工作 測量時燈應(yīng)先通電測量時燈應(yīng)先通電5-155-15分鐘，光電池半小時漂移分鐘，光電池半小時漂移 至穩(wěn)定后讀數(shù)至穩(wěn)定后讀數(shù) 5.5.光電法測量的特點：光電法測量的特點： 比目視法精度高，儀器適當(dāng)精度可達(dá)比目視法精度高，儀器適當(dāng)精度可達(dá)0.1%0.1% 測量同色溫光源也可測量異色溫光源的光強(qiáng)測量同色溫光源也可測量異色溫光源的光強(qiáng) 測量

31、時間短，使用方便測量時間短，使用方便 但不能定色溫但不能定色溫 n測量結(jié)果的修正：測量結(jié)果的修正： 因加因加V V( ( ) )修正濾光片后 修正濾光片后SeSe光電池光電池S S( ( ) )與 與V V( ( ) )接近 接近 但仍有偏離，對但仍有偏離，對異色溫光源測量時，要進(jìn)行修正，異色溫光源測量時，要進(jìn)行修正， 經(jīng)修正后有：經(jīng)修正后有： 修正系數(shù)修正系數(shù) ( / ) xSxs Ed Eii 780 ( )( )( )( )( ) 3800 780 ( )( )( )( )( ) 3800 xs sx pdpsd d pdpsd 在光電法測光強(qiáng)的條件中使在光電法測光強(qiáng)的條件中使 而而 可

32、見此可見此 式式 比前式多了一個修正系數(shù)，這在精密測量中是要考比前式多了一個修正系數(shù)，這在精密測量中是要考 慮的慮的. .一般一般d d值和相差不多值和相差不多, ,若測量中沒有若測量中沒有V V( ( ) )修 修 正濾光片正濾光片, ,而單單用而單單用SeSe光電池測光電池測異色溫光源異色溫光源, ,修正就修正就 可用可用d d表達(dá)式計算表達(dá)式計算.(.(注注: :不同待測燈修正系數(shù)不同）不同待測燈修正系數(shù)不同） xsxS iiEd E 2 / xxx EIr 2 / sss EIr 2 (/) xsxs Id Irr 8.1.3 8.1.3 用客觀光度法測量光強(qiáng)度用客觀光度法測量光強(qiáng)度

33、注意：注意： 客觀法測發(fā)光強(qiáng)度時，如果標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源客觀法測發(fā)光強(qiáng)度時，如果標(biāo)準(zhǔn)光源和待測光源 有相同的光譜能量分布，則探測器的光譜響應(yīng)只有相同的光譜能量分布，則探測器的光譜響應(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，就必須使探測器的相對光源光譜能量分布不同，就必須使探測器的相對 光譜響應(yīng)和人眼光譜光視效率光譜響應(yīng)和人眼光譜光視效率V V( ( ) )相一致，才相一致，才 能正確的進(jìn)行測量。能正確的進(jìn)行測量。 8.1.4 8.1.4 光強(qiáng)度測量中應(yīng)注意的問題光強(qiáng)度測量中應(yīng)注意的問題 (1) (1) 雜散光造成的誤差雜散

34、光造成的誤差 進(jìn)行光強(qiáng)測量時, 要嚴(yán)防外來光線射到探測器上, 尤其要防止周圍 物體的一次反射光線。避開干擾光的最有效辦法是使用擋屏(圖8-6)。 裝上擋屏后，從探測器表面各點都應(yīng)當(dāng)能看到整個光源，而除光源 外，室內(nèi)各個位置都應(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。 8.1.4 8.1.4 光強(qiáng)度測量中應(yīng)注意的問題光強(qiáng)度測量中應(yīng)注意的問題 ( (2) 2) 導(dǎo)軌距離讀數(shù)的精度導(dǎo)軌距離讀數(shù)的精度 根據(jù)給定的光強(qiáng)度測量精度，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，故相對誤差

35、為 2 dIdr Ir 如果光強(qiáng)度測量時允許相對測量誤差為0.5%。則最大相 對距離精度允許誤差為0.25%。 8.1.4 8.1.4 光強(qiáng)度測量中應(yīng)注意的問題光強(qiáng)度測量中應(yīng)注意的問題 ( (3) 3) 保證光源工作穩(wěn)定保證光源工作穩(wěn)定 為保證所測光強(qiáng)度數(shù)值的精度要求，對光源的工作電壓 和電流必須有較高精度的控制。例如，對于某種真空低 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 3.37 dIdV IV 6.09 dIdi Ii 如果要求光源的發(fā)光強(qiáng)度變化不超過0.5%，則工作電壓 的相對精度要求為0.15%，工作電流的相對精度要求為 0.08%。即要保證發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定在一定的

36、精度范圍內(nèi)，對 工作電流的精度要求高于對電壓的要求。 8.1.4 8.1.4 光強(qiáng)度測量中應(yīng)注意的問題光強(qiáng)度測量中應(yīng)注意的問題 (4) (4) 光度平衡判別中人的主觀誤差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)驗的光度測量人員進(jìn) 行測量。每次測量要測取多次讀數(shù)(例如510次)， 這樣測量精度可達(dá)0.2%。此外，對測量環(huán)境也有 一定的要求，儀器視場的亮度應(yīng)在330cd/m2之 間，視場要均勻，沒有污斑、顆粒結(jié)構(gòu)等。環(huán)境 亮度不應(yīng)低于15cd/m2。 8.2 8.2 光通量的測量光通量的測量 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。因為發(fā)光強(qiáng)度不足以表 征光源

37、的完整特性，通常需要使用光通量來表征 它，光通量的單位從發(fā)光強(qiáng)度單位導(dǎo)出，對各向 同性的點光源來講，其光通量=4I，故只要測 定點光源的發(fā)光強(qiáng)度乘以4就可求得光通量。然 而，實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 測量。最常用的是用分布光度計分布光度計和積分球積分球來測量 光通量。 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 用分布光度計測量光源的光通量具有測量精度高的優(yōu)點，但測量方 法較復(fù)雜，一般在國家計量部門和一些研究單位中使用。 (1) (1) 測量原理測量原理 由發(fā)光強(qiáng)度I和光通量的定義，可得到 2 00 ( , )sinId d 如果

38、在不同的空間位置上測得發(fā)光強(qiáng)度I (, )，就可求出光源的 光通量。但對不同方位發(fā)光強(qiáng)度的測量則是比較麻煩的。 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 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稱 的，即沿各個方位角都有同樣的空 間光分布(圖8-7)，因此上式可簡化 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， 對于幾種幾何形狀簡單的物體，可求得其光分布函數(shù)。 0 2( )sinId 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 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。 max cosII

39、 max I 球面光源(圖8-8(b) max II max 4 I 球面光源的光強(qiáng)分布也是一個球體，光源位于球體的中心，Imax為球 體的半徑。 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 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。 max (1 cos )/2II max 2 I 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)分布是一個圓環(huán)面，它由一個直徑為Imax的圓繞圓柱光源 軸線旋轉(zhuǎn)而成。 max sinII 2 max I 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 對于上述幾種特定的光源，只要測出它們的光強(qiáng)度Imax，就可

40、以分別 求出其光通量。 雖然實際生活中的光源很難是完全漫反射體，但對于幾何形狀類似 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。 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 對于實際存在的多數(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 測面，則光通量為 2 2 00 ( , )sinIdrEd d 式中，E(, )是半徑為r球面上的照度。當(dāng)光源具有軸對稱特性時， 上式可簡化為 2 0 2( )sinrEd 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 實際計算

41、時，用求和近似代替積分 2 00 2( )sin NN iiiii ii rEE f 采用等角度法和等立體角法劃分球表 面環(huán)帶(圖8-9) 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 (2) (2) 分布光度計的結(jié)構(gòu)分布光度計的結(jié)構(gòu) 圖8-10是一種分布光度計 的結(jié)構(gòu)圖，接收器Ph是可沿 圓弧S滑動的光電池，測量 各仰角處光源的照度。圓 弧S又能繞垂直軸A轉(zhuǎn)動， 從而可測量光源在不同方 位角時的光通量。由于結(jié) 構(gòu)尺寸限制，這種儀器一 般只能用于測量小或中等 尺寸的光源。 8.2.1 8.2.1 用分布光度計用分布光度計 在測量大尺寸光源時，要求增加光輻射探測器到光源的距離。為此可 使用反

42、射鏡組合結(jié)構(gòu)，增大測量距離。圖8-11列舉了三種光度計的反 射鏡結(jié)構(gòu)。 8.2.2 8.2.2 用積分球測量光通量用積分球測量光通量 測量光通量更方便、更常用的方法是利用積分球。將光通量標(biāo)準(zhǔn)燈 與待測燈相比較而得到待測燈的光通量。積分球的照度由(6-6)式表 示(K稱為積分球常數(shù)) 2 41 EK R 在測得了球壁處出射窗口的照度E后，可得到光通量 8.2.2 8.2.2 用積分球測量光通量用積分球測量光通量 在實際測量時，由于需要在積分球 內(nèi)安置待測光源，且為了不讓光線 直射探測器，必須加設(shè)遮擋屏，起 到對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