您的位置:首页 >> 技术支持 >> 光的知识 >> 测量仪器

光的知识

测量仪器

发布日期:2014-07-08 点击:5575

3.1 辐射计
辐射计是用来测量辐射能量强度的仪器。大多数的辐射计只使用一块光电传感器,为了测定特定光谱段的辐射能量,或是为使

辐射计有特定的光谱感应,通常都会使用到光学滤镜。这样的光学滤镜简单可靠,并且行之有效。

辐射计在工业上的应用,主要包括辐射照度测量和辐射亮度测量。?如果计算从光源出来的辐射量,通常会用到辐射亮度。如

果关心的是曝光的级别,那么就要进行辐射照度或累积辐射照度的测量。

3.1.1 辐射计应用
辐射计通常使用在计算可见光普段外的辐射测量时,例如,红外和紫外的测量。紫外线(UV)在各种工业应用中也是很常见的

,例如,

半导体制造中的光阻加工
印刷及制版中的乳剂加工
色彩牢固度测试
生物学应用
要使用辐射计进行UV 测量,无论辐射照度或辐射亮度测量,光谱感应(波长范围和特征波长)应该和特定的应用相吻合。

除了UV 以外,红外线测量也是辐射计测量的一个重要部分。所有的物体都根据本身的热能量向外辐射红外线,利用这一点,

通过测量物体的红外线发射情况,就能知道物体的温度。这种非接触式的测量仪器就是红外测温仪。因此,这样的测温仪也通

常被称作“辐射测温仪”。使用不同特性的滤镜,就能够有不同的应用领域、不同的应用温度范围。如果想知道更多关于红外

测量的情况,请参阅我们出版的《温度测量漫谈》。

3.2 光度计
光度计是对可见光区域进行测量的仪器。亮度计和照度计是常见的光度计,也是有效的可见光测量解决方案。由于要牵扯

到几何学的测量,光通量计和光强计应用并不广泛,如果要使用,也需要根据特定的应用领域而定制。

辐射计和光度计基本的区别,是后者必须以CIE标准观察者的特性去测量光。也就是说,光度计的光谱感应必须要吻合CIE

标准光度函数Vλ。

3.2.1 传感器

不带滤镜的传感器,例如硒和硫化镉,拥有与Vλ曲线相类似的光谱感应度。但是,它与Vλ之间还是有一定的偏离的,对于精

确的光度测量不是非常适合,通常运用在自动光开关领域。大多数的带滤镜传感器使用硅光电管,并在传感器前面放置了特定

透射特性的光学滤镜。通过滤镜和传感器的有机组合,就能得到光谱特性极其接近CIEVλ曲线的传感器组。

CIE 意识到,需要建立一套有效且国际化的应用方法来标识光度计传感器的质量等级。因此,建立了f1值。f1值指的是一个百

分比误差,表示传感器特性曲线与CIEVλ曲线的吻合程度。
3.2 光度计
3.2.2 校准方法
除了f1值外,光度计的校准方法也是决定仪器是否适合特定应用领域的一个重要因素。例如,对于一台f1值相对较大的光度计

,只要校准用的标准灯和被测光源相类似时,也能够得到很精确的结果。

有两种基本的方法用来校准光度计。第一种也是常用的方法是使用一盏标准灯(通常是钨丝灯),这些灯都是验证过并可溯

源至国家标准实验室/国家标准机构。光度计校准时,其显示结果会被调整至和标准灯输出一致。第二种校准方法是使用标准

检测仪。这样的检测仪有内建的,完美吻合CIEVλ曲线的传感器。用这样的校准方法,仍旧需要一盏标准灯,输出可以调节但

必须要稳定。先用标准检测仪测量标准灯的输出,然后用待校光度计测量,调整至标准检测仪测量到的相同数值。当然,这些

标准检测仪也要被验证并可溯源至国家标准。

3.2.2.1 色彩修正系数
传感器-滤镜组合的特性和CIEVλ曲线的吻合度,在可见光谱边缘范围通常是较差的,因此,校准时所用灯的色温是很关键的

。当大多数的光度计以钨丝灯作校准时,用来测量白炽灯、卤素灯和太阳光时能得到精确的值。但是,测量单色光和窄带辐射

体,例如,蓝色和白色LED时不是非常适合。测量气体放电灯,例如,冷光灯,会在可见光谱区内显示清晰的特征波峰。

因此,现在的光度计为了弥补传感器的光谱敏感度和CIE标准光度函数曲线Vλ之间的误差,都有一个相对应的色彩修正系数,

简称为CCF。当传感器的光谱敏感度和光源的光谱能量分布已知时,就能够计算出CCF值。改变CCF值是将当前测量数据(例如

,由辐射计测量的数据)转换为光度计数据的简单有效的方法。CCF也可被作为用户校准的特性参数,尤其是需要室内标准

溯源时更有实际使用价值。

3.2 光度计
3.2.3 光度计应用
在光的测量中,有很多量可以被测量。不足为奇,光度计的不当选用是造成测量错误的一个主要原因。对于多数使用者而言,

进行有效的光度测量的障碍是缺少光度测量的相关知识,尤其是想在光度单位间进行转换会导致基本的错误。例如,遇到的

常见的错误,是试图使用照度计(lumen/m2)去测量光通量(lumen),或者,是想用亮度计(candela/m2)去测量光强

(candela)。

现在常见的有四种光度测量仪器,分别是亮度计,照度计,光通量计和光强计。

3.2.3.1 亮度计
亮度计用来测量光源发射出的可见光谱段能量。因为亮度是具有方向性的,为了更方便的进行测量结果的沟通交流,在测量时

,必须要明确仪器的测量角,测量区域和对于光源的测量几何结构。几乎所有的光源都不是朗伯发光源(亮度值在所有方向上

都是一致的),从光源发出的光线并不均匀,所以上述的这些测量因素都是相当重要的。

由于亮度测量是要瞄着光源进行的,所以可以使用光学镜头系统来得到测量结果。视场角和光学镜头的测量角必须要有一定限

制,以避免测量到微小角度偏差而出现的不必要光线。

亮度测量对产品质量很重要,如交通信号灯,电视屏幕和汽车尾灯。

3.2 光度计
3.2.3.2 照度计
照度计是用来测量落在某物体表面的可见光能量的仪器。照度测量特别容易受光轴以外光线的影响而产生误差。根据定义,测

量面上某处的光线应和其入射角的余弦值成正比,但是,由于探头内传感器的原因,或是仪器本身的原因,许多照度计并不严

格按照余弦法则去接收光线。

余弦感应特性通过在传感器和滤镜上覆盖余弦修正漫射罩来实现。需要注意的是,因为系统几何结构的差异,会产生不同的余

弦感应特性,导致在不同入射角下得到不一样的余弦误差。
因此,当比较照度测量结果,尤其是涉及到偏离光轴线测量时,一定要理解系统的余弦感应特性。


照度计被广泛应用在环境光线的测量中,以决定室内的光线是否适合阅读或工作。举个例子,一个舒适的用于阅读的桌面,其

照度值应大约在300lx。

照度计有时也用来计算ANSI流明(特别是在投影仪测量中),方法是取九个探头的照度平均值,乘以投影仪投射屏幕的面积,

就得到了ANSI流明值。

3.2 光度计
3.2.3.3 光通量计
光通量测量可以得到光源发射的所有可见光的能量。通过使用积分球,将光源发射的能量汇聚到传感器上,以便测量。

通常情况下,积分球要足够大,才能容纳待测光源,而且积分球越大,在测量不同光源时的误差也就越小。举个简单的例子,

以一盏小的白炽灯作为标准,在直径为2.5米的积分球内校准一根1.5米长的灯管,所产生的误差是将灯管放置在直径2米的积

分球内所产生误差的一半。对此种积分球的校准,通过可溯源至国家标准的标准光源来进行。一个高质量的积分球,要求球体

尽量圆整,其内腔的涂层投入也很大,并且通常是需要根据光源的具体测量应用来定制。因此,作为普通用途的光通量计数量

非常有限。

3.2 光度计
3.2.3.4 光强计

光强描述了光源在给定方向上一个立体角内发射的光通量,它是用来度量光源功率的物理量。正如定义中所描述的,光强测量

包含了错综复杂的光学几何结构,如测量方向,测量的立体角数量。由于光源很少是呈空间均匀发射的,所以在测量光强时,

必须要考虑到测量什么方向的光强和测量多少立体角光强的问题。

因此,要精确测量光源所发射的光强,需要一组可调整的夹具,用来决定测量中所包含的立体角,以及将光源朝向指定的方向

用以测量。也就是说,这样的光强计,在测量时必须要配置测量的光学几何结构。

综上所述,没有两件一模一样的光强计。 在两组不同光强计测得的结果之间的比较,也是没有目的,没有意义的,除非他们

的测量光学几何结构是相同的。

注释:立体角可以通过已知的传感器面积和测量距离来计算。传感器用来测量以流明为单位的光通量。

3.3 三刺激测色计
使用三片光谱敏感度吻合CIE三刺激值配色函数曲线的滤光片,用以测量光源色彩的仪器,称为三刺激测色仪,也叫三滤光片

测色仪。除了色度测量外,这些仪器通常还包括四种光度测量中的一种,如亮度值,照度值,光强或者是光通量测量。

这些仪器的传感器为高质量的光电二极管,并覆有高敏感度的滤光片。传感器将入射光线转换为电信号,直接产生标准的XYZ

三刺激值。

然而,测色仪的传感器精度与CIE曲线的吻合度总是有限的,一些小的误差偏离肯定会存在于测量仪器的敏感度曲线上。在测

量一些整个可见光谱段放射连续能量的光源时,这些小的误差可以被忽略掉。但是,如果光谱的谱线比较特殊或带宽非常窄,

那么测量就可能出现较大误差。因此,三滤光片测色仪通常不适用于测量谱线特殊的光源,如高压放电灯(参考图3.2.3.5a)

,或是谱线带宽非常狭窄的光源,如LED。

3.4 分光辐射度计
分光辐射度计是测量光源光谱能量分布的较理想仪器,不仅能测量辐射度值或光度值,还可以测量色度值。这种仪器测量光源

的辐射光谱,并计算得到所需的参数,例如色度或亮度。无论是使用光栅分光,还是用棱镜分光,仪器测得的光源数据都是一

致的。

CIE Vλ曲线和CIE配色函数曲线是以数据形式存储在仪器中,并用来处理从待测光源处测量到的光谱能量分布数据。因此,相

比于光度计和三刺激测色计,由于传感器敏感度匹配不好而引起的测量误差,分光辐射度计都不存在。无论如何,足够的敏感

度,高线性,低杂光影响,低偏振光干扰,5nm甚至更窄半波宽的应用,是得到高精度数据的基本要求。

无热能辐射体,例如高压放电灯(其光谱能量分布非连续),或者是能量分布带宽非常狭窄的一些物体,都只能使用分光辐射

度计测量。
当然,与三刺激测色计相比,分光辐射度计也有一些不足,如测量速度较慢,价格和携带性等问题。

对光源待测物理量的理解,以及测量这些物理量所需要的测量条件和方法的理解,将会确保我们在特定的测量应用中,使用正

确的辐射度计或光度计。

此份资料并未涵盖全部,只是简单涉及到了一些使用者应该知道的光源测量概念和方法,内容基本基于供应商和客户经常讨论

到的一些项目。

 

 

 


 

上一篇:结论

下一篇:基本概念

Copyright © 2020 深圳市天友利标准光源有限公司. All Rights Reserved.       粤ICP备08127874号       XML地图       深圳市市场监督管理局企业主体身份公示

在线客服 联系方式 二维码

服务热线

0755-26508999

扫一扫,关注我们