光強和照度的測量

光強和照度的測量第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§２-１光強基準(zhǔn)與光強標(biāo)準(zhǔn)燈作為光強單位的基準(zhǔn)器應(yīng)滿足的條件:１.具有一定的強度和光譜功率分布２.具有很好的重復(fù)性，長時間點燃其光強數(shù)值保持不變３.制備及使用方便第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光強基準(zhǔn)基本單位的演變歷史:１.早期基準(zhǔn):蠟燭→卡塞爾燈(1800年)→尖頭鈉燈(1884-1940年)２.白熾體基準(zhǔn)和“小數(shù)”基準(zhǔn)３.臨時“國際燭光”４.黑體基準(zhǔn)和新燭光５.新燭光變成坎德拉第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日６.坎德拉的新定義:光源發(fā)出頻率為540×1012Hz

的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1/683w/Sr時，其光強為1坎德拉（cd)第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光源簡史1970

LED1973

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

LEP2001

OLEP20052010201520201900

泛光燈1901

高壓汞燈1905

60W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

60W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

拉特默的碳絲燈第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光強基準(zhǔn)(次級基準(zhǔn))—副基準(zhǔn)燈和工作基準(zhǔn)燈組成１.次級基準(zhǔn)的作用:由副基準(zhǔn)燈保存量值，再通過工作基準(zhǔn)燈向下進行量值傳遞２.我國選用光強標(biāo)準(zhǔn)燈系列中的BDQ7和BDQ8作為副級基準(zhǔn)燈和工作基準(zhǔn)燈３.光強標(biāo)準(zhǔn)燈的形狀:圓柱形、正圓錐形、斜圓錐形、圓球形等(我國采用圓球形)第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日4.作為標(biāo)準(zhǔn)燈的首要條件是:穩(wěn)定性要好—即每次燃點時應(yīng)保持同樣的光強真空泡量值波動為：±(0.2-0.5)%

充氣泡量值波動為：±(0.4-1)%5.光強標(biāo)準(zhǔn)燈的使用及其要求：①燈泡質(zhì)量要好:泡殼應(yīng)無色透明,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)燈發(fā)光不穩(wěn)定應(yīng)老練到全壽命的10%，通常是在高于工作電壓的5%，老練50-80小時）第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日②供電電源精度高（穩(wěn)定性好—常用直流供電電源）③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5分鐘左右，充氣泡預(yù)熱10分鐘左右，待發(fā)光穩(wěn)定后再開始測量④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30-60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)第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§２-2目視法測光強光度學(xué)測光強方法：目視法（主觀測量法）光電法（客觀測量法）目視光度計的制作原理：目視法主要利用人的眼睛對光敏感強，它能精確判斷相鄰二個表面的亮度是否相同。目視光度計就是基于之一特點而制成的第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日目視法測量的要求：

要求兩燈的色溫相同或相近(相差在100K以下)。第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日目視光度計的工作原理：

1.結(jié)構(gòu)與原理:如圖L1

L2為二個光源,L1光強已知,L2待測光源,D為白色漫射屏

(涂MgOBaSO4)M1M2為反射鏡或全反射棱鏡，P為光頭,使L1L2經(jīng)D反射來的光線在目鏡E的視場內(nèi)造成兩個相鄰的像.

第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日2.光度頭P的結(jié)構(gòu)及原理:光度頭由二個直角棱鏡膠合而成—稱為陸末-布洛洪(LummerBrodhum)棱鏡，其中一個棱鏡沿斜面刻出一個不太深的凹陷圖梯,圖中Ａ的位置.這樣由SM1來的光線直接透過立方體,射到目鏡上,在刻有圖案的A處則被反射出去;而由SM2來的光線在A處被反射到目鏡上,其余部分的光線則透出立方體,因而在目鏡內(nèi)形成二個互不干擾的相鄰的像,如圖(b)中打斜線的表示來自一個光源，而其余部分則來自另一光源．第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日目視法測光強：按圖將L1L2和Ｄ均放在光具座上，在定色溫的同時，改變L1和

L2與漫射屏D的距離,使漫射屏兩側(cè)的照度一樣(此時圖內(nèi)二個視線的界線消失),若L1L2近似為點光源,則由距離平方反比定律有:

第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日注意:1.目視法作光度測量方便,但只能對同色溫?zé)舯容^時精度高,異色溫誤差較大.2.測量時的照度為20-30lx，過高、過低均影響測量精度。3.可同時定色溫和測光強。第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§２-3光電池的特性光電池的工作原理與特性：1.工作原理:光生伏效應(yīng)（內(nèi)光電效應(yīng):光電池受光照射就會產(chǎn)生電勢差)2.最大特點是:不需外加工作電壓第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光電池的漂移現(xiàn)象：1.漂移現(xiàn)象:光電池在長期遮蓋以后暴露在光線照射下,當(dāng)受照面的照度不變時,在最初一段時間里光電池電流是逐漸變化的,有時上升有時下降;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(光電池結(jié)構(gòu)如圖)第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日2.漂移現(xiàn)象的影響因素：①受光面的照度:照度↑→漂移↑;照度↓→漂移↓②不同顏色的光入射到光電池上時,漂移現(xiàn)象也不同③漂移現(xiàn)象隨光電池所處的溫度的改變而改變第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光電池的積分靈敏度與光譜靈敏度：1.定義:探測器光電流的輸出值ip與入射到探測器上的光通量Φ之比稱之為光電池的積分靈敏度用S表示2.公式:3.單位:μA/lm4.光譜靈敏度與積分響應(yīng)度分布(如下圖)第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光電池的直線性和測量電路：1.硒光電池的等效電路及通過電流表的電路電流(測量電流)當(dāng)有光入射時,形成電流:而又由右電路圖知:

故若R→min時,i2和Φ成線性關(guān)系

第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日2.測量電路：①保持Se光電池的電流i與入射光通量Φ具有很好的線性關(guān)系的最佳方法: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，可用低內(nèi)阻0.5級微安表測量;高精度測量時,可用多量程檢流計或i-V轉(zhuǎn)換器.第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日②外電路等效為0的補償電路及光電流i2的測量原理:當(dāng)光照射Se光電池時,按下開關(guān)K,流過G的電流與反向,調(diào)節(jié)R3,使，此時由電路圖知：

當(dāng)時，用毫安表測出i，由上式便可計算出i2

第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日3.作精密測量時的實用電路：當(dāng)光照射Se光電池時,按下補償電路中的開關(guān)K,調(diào)節(jié)使，此時G2的讀數(shù)i2便是通過光電池的光電流i2第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光電池的光譜響應(yīng)度分布：1.定義: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，稱為光電池的光譜響應(yīng)度分布;通常將響應(yīng)度曲線的最大值定為1,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S（λ）表示2.由圖知:在光電池的前面加上V(λ)修正濾光片后,

它的光譜響應(yīng)度分布S（λ）與光譜光視效率V(λ)很接近

第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日3.光電池使用要求:使用前應(yīng)在允許的照度范圍內(nèi)曝光幾個小時以上,經(jīng)足夠的時間老化后,待其響應(yīng)趨于穩(wěn)定后再正式用于光度測量。

第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光電流的輸出值與余弦定則的偏離:1.光電流的余弦定則：當(dāng)有光線斜射向光電池時有:若則2.測量的光電流與余弦定則的偏差:

第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§２-４光電法測量光強光電法測量中的光電接收器:1.光電接收器的光譜靈敏度與人眼要一致:①常用硒(Se)光電池或硅(Si)光電池作光電接受器②為使光電池的S（λ)與人眼的光譜光視效率V(λ)很接近,在光電池的前面加上V(λ)修正濾光器與光電池組合使用即可

第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日２.V(λ)修正濾光器種類:①固體濾光器:由LB6和LB16組成.

其特點是:性能穩(wěn)定,光譜透射比不改變,可以長時間使用,但配制不容易.②液體濾光器:它是幾種鹽配成厚度為10mm的水溶液.

其特點是:可通過調(diào)節(jié)水溶液的濃度對光電池進行修正,但光譜透射比不穩(wěn)定,易受溫度變化而使?jié)舛雀淖?使用不便．第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日３.V(λ)修正濾光片常用配方：配方一：重鉻酸鉀0.06-0.09g

硫酸銨鈷1-3g

氯化銅3-6g

蒸餾水100ml配方二:重鉻酸鉀0.05-0.07g

硫酸銨鈷5-7g

蒸餾水100ml第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日4.V(λ)修正濾光片的光譜透過率τ(λ):

S(λ)-硒(Se)光電池的光譜靈敏度

K－比例常數(shù)第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光電法測光強的方法與步驟：1.示意圖如下：第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日2.測量原理：

Ls照射硒(Se)光電池時有電流表的讀數(shù)為,Lx照射硒(Se)光電池時有電流表的讀數(shù)為,若則有即→

第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日3.測量步驟:①按1中的示意圖裝好器材②讓Ls照射硒(Se)光電池,記下光電流讀數(shù)A,此時的照度為:③將光電池旋轉(zhuǎn),讓Lx照射硒(Se)光電池調(diào)節(jié),使光電流的大小值為A,此時的照度為:

④利用公式

計算出待測燈光強

第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日4.注意事項:①Ls、Lx、V(λ)修正濾光片、Se光電池的光心在同一直線上②rS≥10Lsrx≥10Lx③Ls、Lx燈在額定電壓下工作④測量時燈應(yīng)先通電5-15分鐘，光電池半小時漂移至穩(wěn)定后讀數(shù)第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日5.光電法測量的特點：①比目視法精度高，儀器適當(dāng)精度可達0.1%②測量同色溫光源也可測量異色溫光源的光強③測量時間短，使用方便④但不能定色溫

第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日測量結(jié)果的修正：因加V(λ)修正濾光片后Se光電池S(λ)與V(λ)接近但仍有偏離，對異色溫光源測量時，要進行修正，經(jīng)修正后有：修正系數(shù)

第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日

在光電法測光強的條件中使而→可見此式比前式多了一個修正系數(shù)，這在精密測量中是要考慮的.一般d值和１相差不多,若測量中沒有V(λ)修正濾光片,而單單用Se光電池測異色溫光源,修正就可用d表達式計算.(注:不同待測燈修正系數(shù)不同）

思考題：修正后的測量方法及測量步驟？第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§２-５光照度的計算公式的推倒：

前提假設(shè):有一發(fā)光面dA服從朗伯定則,即它在各個方向上的亮度是相同的,計算在距發(fā)光面為r處被照面ds的光照度.如圖有:由dA→ds的光通量為:則ds

上的照度為：第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日公式應(yīng)用注意事項：①發(fā)光體看作服從朗伯定律的點光源②實際工作中用照度計測量照度，計算意義不大③此式可計算各種有限尺寸光源（如盤形光源,線狀光源，球形光源等）在被照元表面產(chǎn)生的照度。第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日舉例：

一圓盤型朗伯光源dA,半徑為r,求在圓盤中心軸線上c處的光照度?如下圖所示解：圓盤距離圓心x處的照度dE為:

第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日由圖有:

故

整個圓盤在c點處產(chǎn)生的照度E為：

而

—法線方向的光強第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§２-6照度的測量與照度計的定標(biāo)照度計的種類：1.目視照度計：使用不便，精度不高，很少使用2.光電照度計：常用硅光或硒光電池照度計第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光電池照度計的組成與使用要求：1.組成:微安表、換擋旋紐、零點調(diào)節(jié)、接線柱、光電池、V(λ)修正濾光器等組成。常用硒(Se)光電池或硅(Si)光電池照度計,又稱勒克斯表第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日2.使用要求：①光電池應(yīng)用直線性好的硒(Se)光電池或硅(Si）光電池;長時間工作仍能保持良好的穩(wěn)定性,且靈敏度高;高E時選用高內(nèi)阻的光電池,其靈敏度低