光量测基础知识介绍（卓立汉光）
一、简介：
光度测量（photometry）学是测量人眼对光的响应的科学。
由于人眼是一个高度复杂的器官，这无疑是一个非常困难的工作。它涉及到多个学科，心理学、生理学和物理学等。
1924年，CIE（照明委员会）组织会议定义人眼对光平均响应值，从此光度测量学就成为一门现代学科。该委员会抽样测试了大量人群，将得到的数据绘制成明视（photopic）曲线。该曲线表明人眼对绿光反应 敏感，对紫光和红光则反应较弱。
实验表明，在暗视场情况下，人眼有*不同的响应值，在此情况下，人眼也无法辨别颜色。于是，又进行了一系列测试，绘制出了暗视（scotopic）曲线暗视视见函数。
有了人眼的光谱响应曲线，CIE规定了标准光源作为光强量测的标准。*个标准光源是一特殊的蜡烛，由此得出footcandle和candlepower的定义。为了 大可能的提高重复性，1948年，对标准进行了重新定义--一定量的金属铂融化所发出的光。
二、基本概念：
光度的基本概念是流明（lumen），是一个与辐射度（radiometric）中的Watt相关的概念，关系如下：
lm=683·W·V（λ）
V（λ）-相对发光度，由视见函数得出的一个系数，把人眼在555nm（ 灵敏波长）的值规定为1
两个重要的光度学定理：
1、平方反比定理：连续光强光源在光接受表面的照度（illumination）与光源到接受表面距离之间的关系，即，照度值与该光源到接收面之间的距离的平方成反比。因此，理想的照度测量必须要能控制距离的大小，如果某光源在某一距离的照度值已知，除非其他条件影响，任何距离的照度都可以经计算获得。
2、余弦定理：一定面积上的光强，因入射角的不同而随之变化，这是因为实际投影面积随入射角的增大成比例的减少。这样，在环境照明测试时，探头需要进行余弦校正来计算实际值。否则，就会产生相当大的误差，尤其当入射角较小时，误差更大。
光度量测的主要问题是如何再现人眼对光谱的响应。电子探头*的响应特征*不同于CIE标准观者。为此，探头必须能按光谱校正数据。通常有两个方法达到该目的，一是通过不同波长扫描、探测，二是匹配滤滤光片法。
扫描法是用单色仪或多通道探测器来完成测试，在这种方法里，光源的光强被逐波长的测试，测得的数据根据明视视见函数进行计算，得到测量结果。由上可见，该技术需要微处理器，要有一定的扫描精度，因此并不实用，而且，价格昂贵，操作复杂。
光学滤光片法提供了一个简单、经济的解决方案。因只有一个光电信号需要处理，因此一个单通道的电子处理器即可。近来滤光片设计技术的改进，以及固体探测器技术的提升，提高了该技术在光度量测上的正确度。
滤光片匹配技术是在探测器前加一有色滤光镜（colored-glass filter），该滤光镜可以对不同波长进行选择性衰减，直到符合CIE视见函数曲线。平面散射的Si光敏二管，在可见光谱范围内具有良好的线性响应和高的灵敏度，因此是理想的光探测器。使用Si探测器，再加上先进的滤光片设计，UDTI公司的光度计与CIE视见函数曲线仅有1%的误差。根据CIE的统计，这是 佳的匹配值。
表示光度量测探头性能的一个非常重要的参数就是f1′，这是由CIE协会定义的一个数值，由光度探测器的平均误差与CIE视见函数的比值得该数值。 高精度------实验室级精度的探测器的f1′<1.5%，一般的应用要求f1′<3%。
需要指出的是，探测器与滤光片之间的匹配是非常精密的，一旦匹配完成之后，就不能与其他的探测器/滤光片的配对互换。每一个探测器都有一个*的响应特征，需要与特定厚度和层数的滤光片结合。
探测器的响应值确定了以后，就要用标准转移技术来进行校正。标准探测器由NIST提供。将探测器/滤光片的配对定位于一个光源前，光源要求能够输出连续波长和强度，一般用卤化钨灯。这样，对被校正探测器的输出电信号与标准探测器的信号进行对比。
探头的光响应值确定了以后，就可以匹配一个精密的增益控制电子放大器和数据读出系统。
三、重要术语：
1.光通量luminous flux
光通量的单位是流明（lumen），是光度量的基本单位，表示可见光源所有的光输出量。因此，光通量的测量要求能够将所有的光能量收集到光探测器上，对于发散光源，如LED、灯源等，光通量的测量就比较困难，这时就要用积分球来测量。
2.光照度illuminance
光照度是指单位面积所接受的入射光的量 。在英制单位里，1平方英尺的面积上接受到1个流明的光通量，定义为1footcandel。公制单位中，每平方米1个流明为1勒克斯（lux），10.76lux=1footcandle.
当然，探头不可能有这么大的面积，所以，探头的面积要相应的乘以一定的倍数。由于探头的面积不再由被照射的面积决定，因此当测量值超过探头的测量范围或在矫正光学的后面时，就要特别注意。
例如，照度测量时，经常由于光线偏离垂直光轴而造成测试错误。这时，探头就要配一个余弦校正器。由于余弦接受器仍然要投影到探头上，因此，余弦接受器的面积并不是探头的面积，只是代表测试面积。
3.光出射度（luminous exitance）
光出射度是表征光源自身性质的一个物理量。光源的光通量除以光源的面积就得到光源的光出射度值。光出射度用lumen/㎡表示，但与照度测试和lux不同，光出射度中的面积是指光源的面积，而不是被照射的面积。平板发射会测试该值。
4.光强（luminous intensity）
光强也是表征光源的性质的物理量，是指所有的直射光和发散光。用均匀发射到球面角的光通量来表示光强的大小。光强的基本单位是坎德拉（candela），相当于1流明/球面度（lumen/steradian）
光强的定义有两点需要说明：
①该测量不适用于校正光源；
②对非均匀发射源，光强是不确定的。要得到光强值，必须知道探头的面积（或由探头前面的光圈决定的面积）和测量的距离，这样就可以计算出球面角，用光通量的数值除以球面角，就得到光强值。
5.光亮度（luminance）
如大家所知的亮度（brightness），光亮度（luminance）也是对相对平坦、均匀的平面反射或发射的光的量测。测量时要考虑到测试的表面积和观测者的视角。
光亮度可以看作是每单位面积的光强，所以在光量度单位中用candela/㎡表示，但是许多其他的定义也应用到该测量中，一些单位是用来测圆形面积，而不是方形。（见光度量单位表）
要测量亮度，必须严格规定探头的视场和计算角度，通常要用到透镜和反射板（baffle）。实际上，人眼就相当于一个光亮度计。
注意，只要探头的视场被充满，探头与测试平板之间的距离决定测量的结果。这是因为，视场大小尺寸和光源的强度与距离成正比函数关系。
6.光度量（luminance energy）
光度量是指放出的光通量，用流明·秒表示。多用于脉冲光源或闪光光源。
基于时间的光度量是可以测量的，如可对闪光灯在某一方向上的照度对时间进行积分，得到footcandle·秒。
四、如何建立光度测试系统
建立一个光量测系统需要三步。首先，对光源进行评估，决定用何种方法进行测试；然后，选择合适的探测器及光学系统（探头）；最后，为探头配置电子设施，以提供应用所需的操作界面。
1.评估光源：
探测器对量测的正确与否有着非常重要的作用，毕竟光度量测与人眼对光的响应紧密相关，因此，首要的问题是，人眼是如何对被测的光源进行响应的。
比方说，测量周围环境的照明情况，是想知道，人眼在某一范围上是否可以看清文字或物体，关心的并不是光源的功率，而是在该块面积被照亮的程度如何。由此可见，无论是室外，还是办公室、工厂，要测的光度量是照度。
但是，如果在同样的房间或空间，希望知道墙、纺织物或印刷品的亮度，需测的参数就要改变了，因为此时人们所关心的是反射到人眼的光的量。由于这些表面是散射光，相对均匀， 好是测亮度。
电子显示，如CRT、电子显示面板等，发出的光直接进入人眼，由于文字字符和线条细节太小，所以测试系统的视场（F.O.V.）必须进行限定，使得只有被照亮的部分可以测到。这样，根据定义，要测的量就是光亮度（luminance），因此显示屏的亮度经常用footlambert来表示。
灯源的应用很多，很难用一个光度量来表示。如前所提到的，用于空间照明（如，房间、街道体育场）的灯源或灯源系统，主要是照度测试。但是，在汽车的外部照明应用中，前灯要测试照度、尾灯则要测试亮度。市场上的许多微光源、透镜光源，由于是发散光，肯定要测发光强度。白炽灯和荧光灯生产厂用光通量（或等量的辐射值Watt）来检验产品，这是因为，它们都是固定在某一位置，散射光，必须测量它的所有发射光。
激光和发光二管也需要类似的测试。在科学应用上，一般测试辐射参数，但是，当研究它们对人眼的潜在伤害时，往往要测试光通量。透镜LED虽然是直射光源，但存在发散角，发光强度（光强）可以很好地表征该性质。对于表面或边发射的LED，很显然，发射光是与表面积相关的函数关系，这时，就要测光出射度。
光量测试用于周期性的光源，脉冲LED、摄影用的闪光单元、闪光灯、弧光灯系统、旋转或扫描灯，光通量都是随时间变化的光源。
2.正确选择探头：
测试类型决定了探头及附件的选择。
在任何测试中，都要用到Si光敏二管探测器（sensor）、探测器外罩、光度滤光片。在光通量的测试时，探头必须能将所有的入射光聚焦或校正到探测器上。
如果，通量超出70lumen/c㎡，就超出了探测器的限，输出的信号就失去线性。这时就要对光进行衰减。中性滤光片（ND Filter）、光圈、积分球可达到该要求。衰减元件的选择要要根据衰减值的要求：既不至于超过探测器的饱和度，又要保证探测器的响应灵敏度和动态范围。
如果光是垂直入射的，简单的探测器、滤光片组合就可以进行环境测量。但当入射光偏离法线时，如光从窗户或其它外部光源入射时，就需要余弦接受器。
积分球除了在灯源制造业广泛应用外，对LED、微光源等发散光源也十分有用。它可以确保插入积分球入口的光源的所有光被收集起来。
亮度的测量要对探头定义视场，光源的被测范围大小和探测器到被测物的距离可以计算出夹角，比较大、近场，简单的挡板（baffle），如球面遮光物、光圈将被用到。但对于较小的图像，如CRT等，就需要透镜系统，在一定距离进行测试。UDTI公司提供各种亮度测试用的透镜、光学附件，包括显微测试和远程测试。
3.选择与应用匹配的电子设备
卓立汉光采用UDTI公司的光度探头都是Si光敏二管，由于尺寸不同，一般输出为低放大电流信号，由放大电路的倒数关系，电流信号转化为电压输出，用于不同的应用需求。
五、如何定量测试辐射系统
选择一灵敏的探测器和正确的读数设备，对于测试准确度有着重要的影响。
探测器将电磁波信号转化为电信号，然后读取设备接收到这些信号，并进行处理。校准测试系统会测试光源，而且用某一合适的光学单位显示出测试结果。
其显示单位应根据各自的特性来选择，且探测器的选择应考虑测量范围、波长计算、及尺寸等因素。两个相匹配的探测器及准确的测试单位，能测试光源。
1.光源因素：
正如前面“重要参数”中介绍的一样，光源特性由不同单位反映出来。
平行光源，如激光，其特性用“光通量”来测试。一束光截面积大于探测器本身时，可以用能量强度（光照度）来描述，单位w/cm2.积分球可以测量光通量，其目的是将强的激光束“稀释”成为弱光使其达到探测器可以测量的范围。
电光源，如发光二级管的特性可以由光强度来描述，可以反映出空间散射的不同。这种测试可以简单实现，用一个狭缝和挡板来确定探测器接收角度。测试过程应保证光对探测器的入射角度一致。这与探测器的面积及离光源的远近有关。电光源也可以用光通量来定义，用它来描述光源的辐射，测试过程可以借助整体球来实现。
均一的扩展光源如日光灯可以用光通量或光亮度来描述。
均一的扩展平行光源，如LCD， 好用光亮度来描述。
2.能量测试：
测试脉冲光源要考虑特殊因素。光学能量的标准单位为焦耳。能量测试时对信号在一段时间内的积分。若用硅或锗探测器来测试脉冲信号能量，则需要考虑探测器的尖峰效应，探测器饱和会呈现出非线性变化，从而产生测量错误。
3.波长及光学滤波器：
光学滤波器可以允许某些波长的光通过，而滤除其他光波。波器可以用来调节探测器的响应，起到限制带通以及与期望反馈回路的匹配，或按某一比例衰减光能量，许多滤波器是为与特定探测器而精心设计的。一些滤波器和探测器组合必须要校准以保证测试的准确度。
一探测器/滤波器组合，达到均一的响应，是非常必要的，尤其是测量宽带光源、峰值波长不确定、或其他情况。Graseby Optronics新的均匀滤波器能准确测试从450nm~1000nm波长的光波，误差小于±5%。
探测器/滤波器组合，若是仅允许特殊带宽的光波通过时，适合测试弧光灯的波峰分布，可见光，或其他特殊光谱成分。
窄带通滤波器常用于测量激光器的能量测试。这种滤波器/探测器组可以保证只有从激光器发出的、单一的波长到达探测头的表面。
对于具体的探测器，一个重要的因素需要考虑，就是你要测试光的强度有多大，另外还波长范围，能量处理能力。
4.硅和锗作为光测量物质：
锗和硅非常适合用来测时光信号。这些物质通过光电效应将光信号转化为电信号。在探测器的输入范围内电磁波的转换及探测器反映是线性的。
