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照度與亮度的測量方法
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光度量和輻射度量的工程測量是光電檢測的重要組成部分，也是研究一切與光輻射有關的物理或化學過程所不可少的內容。例如，對光電或熱電探測器特性的研究，對夜天光和各種照明器材的發光特性研究，對物體輻射特性的研究，以及各種測溫、控溫等技術都離不開光度量和輻射度量的測量。輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量。光度量是光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的度量。因此，輻射度量和光度量都可定量地描述輻射能強度。但輻射度量是輻射能本身的客觀度量，是純粹的物理量；而光度量則還包括了生理學、心理學的概念在內。兩者之間通過人眼光譜光視效率V（λ）（視見函數）和最大光譜光視效能K0實現轉換。在明視覺條件下，頻率為540×1012Hz（λ=0.555μm）單色輻射的最大光譜光視效能Km=683lm/W。暗視覺的轉換為0.51μm單色輻射的最大光譜光視效能K`m=1725lm/W。 光度量和輻射度量各自包含著許多對應的量，如強度、亮度、出射度、通量和照度等。在工程測量中大多通過測定通量來確定亮度和照度。其他量一般不直接測量，而是利用亮度或照度值通過各量之間的關系計算得出。例如光度量的計量儀器常見的有光譜照度計和光亮度計。 光度量和輻射度量的測量可以采用多種方法。目前發展最快、采用最多的是光電和熱電法的測量。熱電法是以熱電探測器為光輻射量的接收器，其優點是對檢測的光譜無選擇性，而缺點是反應速度較慢，靈敏度較低。光電法是用光電探測器作為光輻射的接收器，它的優點是反應迅速，靈敏度高；而缺點是檢測對光譜有選擇性。此外，對中、遠紅外輻射測量的光電探測器常需制冷，使設備量增加也是它的不足之處。 光電檢測中的計量儀器，都有一定精確度和精密度的要求，通常把精密度叫做對定值測量的重復性。在研制計量儀器過程中重要的是確保必要的精密度，而精確度的保證通常是在保證精密度的基礎上，通過對標準量的標定來實現的。 1. 照度的測量 光強度、光通量的測量往往是通過測量照度來實現的，照度測量比其他光度量的測量應用更廣泛。 光照度的定義：在某個受光面的小面元ds上，接收到入射的光通量為dΦ，則小面元上的照度E=dΦ/ds。如果整個受光面s上照射均勻，總入射通量為Φ，則s面的照度E=Φ/s，單位為lm/m2，或lx。 目前在實際工作中主要采用客觀法測量照度，即將照度計的光輻射探測器放在待測平面，光照引起探測器的光電流，放大后通過儀表或數字讀出。對于標定過的照度計，讀出的數據代表了所測平面的照度值。 照度計的基本結構是光電測量頭及其示數裝置。光電測量頭包括光電探測元件、光譜修正濾光片，以及擴大測量量程的減光器（中性濾光片等），如圖1所示。 圖1：照度計原理圖 為了可靠地測量照度，照度計必須滿足以下條件： （1）光電探測器的光譜響應需要符合照度測量的要求。由于照度計通常用硒光電池或硅光電池、光電倍增管等作為測光部件，其光譜響應和人眼光譜光視效率有較大差別。當進行同色溫光源下照度測量時，只要這種光源的色溫和種類與照度計標定時所用標準光源的色溫、種類一致，就不會產生測量誤差。但當待測光源色溫或種類與標定光源的不同時，由于測光部件光譜響應和人眼光譜光視效率之間的差異，就會成為引入照度測量誤差的重要因素。為了使測光部件的光譜響應符合照度測量的精度要求，一般選用合適的濾光片，修正照度計的光譜響應，使兩者組合后的光譜響應盡量接近人眼光譜光視效率。對于硒光電池和硅光電池的光輻射探測器，用現有玻璃濾光片進行V（λ）匹配，其理論計算的誤差可在1%以內。 （2）探測器的余弦校正。根據余弦定理，使用同一光源照射某一表面，表面上的照度隨光線入射角而改變。設光線垂直入射時，表面照度為E0；當光線與表面法線夾角為α時，表面上的照度為 使用照度計測量某一表面上的照度時，光線以不同的角度入射，探測器產生的光電流或者說照度計的讀數，也應隨入射角的不同而有余弦比例關系。但是由于測量儀器并不能達到各種理想狀態，探測器的這種非余弦響應主要是由于菲涅耳反射所致的。為消除或減小探測器的非余弦響應給照度測量帶來的誤差，設計了多種余弦校正器，如圖2所示，余弦校正器的基本原理是利用光電探測器的透鏡或漫透玻璃，改變光滑平面的菲涅耳反射作用，從而克服探測器的非余弦響應。 圖2：余弦校正器 （3）照度示值與所測照度有正確的比例關系。要求照度計光電探測器的光電流應與所接收的照度成線性關系。目前精度較高的照度計，在0.01lx至2×105lx之間的線性誤差小于0.5%。有些照度計在測光部件上還可加一些光衰減器（如中性密度濾光片等）或在信號輸出讀數顯示上加一些固定倍率的衰減，以擴大照度計照度測量范圍。 （4）照度計要定期進行精確標定。使用一段時間后，光探測器會發生老化，即靈敏度發生改變。故照度計應定期進行標定，確定測光部件表面照度與輸出光電流或照度計讀數之間的關系。 （5）照度計要有較好的環境適應性。環境溫度的變化會影響到光探測器的響應度。為避免受溫度變化的影響，在精密測量時，應保持恒溫。 2 亮度的測量 亮度是經常要測量的發光體光度特性之一。 發光體表面的亮度與其表面狀況、發光特性的均勻性、觀察方向等有關，因而亮度的測量頗為復雜，且測量的往往是一個小發光面積內亮度的平均值。 常用的亮度計用一個光學系統把待測光源表面成像在放置光輻射探測器的平面上。圖3所示是一種亮度計的結構，亮度計的測光系統由物鏡B、光闌P、視場光闌C、漫射器和探測器等組成；光闌P與探測器的距離固定，緊靠物鏡安置；視場光闌C和漫射器位于探測器平面上；C限制待測發光面的面積。對于不同物距的待測表面，通過物鏡的調焦，使待測發光面成像在探測器受光面上。 圖3：亮度計結構圖 設待測發光面的亮度為L，物鏡的透射比為τ，若不考慮亮度在待測表面到物鏡之間介質中的損失（物距太長時應考慮），則在光闌P平面上的亮度為πL，像平面上的照度為 式中，S是光闌P的透光面積，r是光闌P到像平面的距離（不隨測量距離不同而改變）。 設探測器的照度響應度為RE，則輸出信號V=REE，則亮度計的亮度響應度為 光闌P的設置非常重要，因為如果只用物鏡框來限制通光孔面積，那么在測量物距不同的發光表面時，物鏡框到像平面的位置將隨著物鏡的調焦而改變，結果對應不同的物距就有不同的亮度響應度，若對物距的變化不加修正，就會引起亮度測量誤差。例如，一種物鏡焦距為180mm的亮度計，儀器對2m物距進行標定，當用它測量10m物距的發光面時，會產生約17%的誤差。 亮度計的最大誤差源由其光學系統各表面產生的反射、漫射和雜散光所引起，它們使探測器對儀器視場外的亮度源產生響應。在被測目標的背景較亮時，亮度計必須加上擋光環或使用遮光性能良好的伸縮套。 因為亮度計得到的是平均亮度，故測量時待測部分應亮度均勻。如果在測量方向上有明顯的鏡面反射成分，即待測表面的反射和透射特性不均勻，則不同視場角測得的平均亮度將會有明顯的差異。若待測亮度表面不能充滿亮度計視場，如測量小尺寸點光源或線光源時，應當把光源投影到一塊屏上，光源像應有足夠大的尺寸。先測得光源像的亮度，再計算出光源的實際亮度。
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