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      光的知識

      測量儀器

      發布日期:2014-07-08 點擊:5575

      3.1 輻射計
      輻射計是用來測量輻射能量強度的儀器。大多數的輻射計只使用一塊光電傳感器,為了測定特定光譜段的輻射能量,或是為使

      輻射計有特定的光譜感應,通常都會使用到光學濾鏡。這樣的光學濾鏡簡單可靠,并且行之有效。

      輻射計在工業上的應用,主要包括輻射照度測量和輻射亮度測量。?如果計算從光源出來的輻射量,通常會用到輻射亮度。如

      果關心的是曝光的級別,那么就要進行輻射照度或累積輻射照度的測量。

      3.1.1 輻射計應用
      輻射計通常使用在計算可見光普段外的輻射測量時,例如,紅外和紫外的測量。紫外線(UV)在各種工業應用中也是很常見的

      ,例如,

      半導體制造中的光阻加工
      印刷及制版中的乳劑加工
      色彩牢固度測試
      生物學應用
      要使用輻射計進行UV 測量,無論輻射照度或輻射亮度測量,光譜感應(波長范圍和特征波長)應該和特定的應用相吻合。

      除了UV 以外,紅外線測量也是輻射計測量的一個重要部分。所有的物體都根據本身的熱能量向外輻射紅外線,利用這一點,

      通過測量物體的紅外線發射情況,就能知道物體的溫度。這種非接觸式的測量儀器就是紅外測溫儀。因此,這樣的測溫儀也通

      常被稱作“輻射測溫儀”。使用不同特性的濾鏡,就能夠有不同的應用領域、不同的應用溫度范圍。如果想知道更多關于紅外

      測量的情況,請參閱我們出版的《溫度測量漫談》。

      3.2 光度計
      光度計是對可見光區域進行測量的儀器。亮度計和照度計是常見的光度計,也是有效的可見光測量解決方案。由于要牽扯

      到幾何學的測量,光通量計和光強計應用并不廣泛,如果要使用,也需要根據特定的應用領域而定制。

      輻射計和光度計基本的區別,是后者必須以CIE標準觀察者的特性去測量光。也就是說,光度計的光譜感應必須要吻合CIE

      標準光度函數Vλ。

      3.2.1 傳感器

      不帶濾鏡的傳感器,例如硒和硫化鎘,擁有與Vλ曲線相類似的光譜感應度。但是,它與Vλ之間還是有一定的偏離的,對于精

      確的光度測量不是非常適合,通常運用在自動光開關領域。大多數的帶濾鏡傳感器使用硅光電管,并在傳感器前面放置了特定

      透射特性的光學濾鏡。通過濾鏡和傳感器的有機組合,就能得到光譜特性極其接近CIEVλ曲線的傳感器組。

      CIE 意識到,需要建立一套有效且國際化的應用方法來標識光度計傳感器的質量等級。因此,建立了f1值。f1值指的是一個百

      分比誤差,表示傳感器特性曲線與CIEVλ曲線的吻合程度。
      3.2 光度計
      3.2.2 校準方法
      除了f1值外,光度計的校準方法也是決定儀器是否適合特定應用領域的一個重要因素。例如,對于一臺f1值相對較大的光度計

      ,只要校準用的標準燈和被測光源相類似時,也能夠得到很精確的結果。

      有兩種基本的方法用來校準光度計。第一種也是常用的方法是使用一盞標準燈(通常是鎢絲燈),這些燈都是驗證過并可溯

      源至國家標準實驗室/國家標準機構。光度計校準時,其顯示結果會被調整至和標準燈輸出一致。第二種校準方法是使用標準

      檢測儀。這樣的檢測儀有內建的,完美吻合CIEVλ曲線的傳感器。用這樣的校準方法,仍舊需要一盞標準燈,輸出可以調節但

      必須要穩定。先用標準檢測儀測量標準燈的輸出,然后用待校光度計測量,調整至標準檢測儀測量到的相同數值。當然,這些

      標準檢測儀也要被驗證并可溯源至國家標準。

      3.2.2.1 色彩修正系數
      傳感器-濾鏡組合的特性和CIEVλ曲線的吻合度,在可見光譜邊緣范圍通常是較差的,因此,校準時所用燈的色溫是很關鍵的

      。當大多數的光度計以鎢絲燈作校準時,用來測量白熾燈、鹵素燈和太陽光時能得到精確的值。但是,測量單色光和窄帶輻射

      體,例如,藍色和白色LED時不是非常適合。測量氣體放電燈,例如,冷光燈,會在可見光譜區內顯示清晰的特征波峰。

      因此,現在的光度計為了彌補傳感器的光譜敏感度和CIE標準光度函數曲線Vλ之間的誤差,都有一個相對應的色彩修正系數,

      簡稱為CCF。當傳感器的光譜敏感度和光源的光譜能量分布已知時,就能夠計算出CCF值。改變CCF值是將當前測量數據(例如

      ,由輻射計測量的數據)轉換為光度計數據的簡單有效的方法。CCF也可被作為用戶校準的特性參數,尤其是需要室內標準

      溯源時更有實際使用價值。

      3.2 光度計
      3.2.3 光度計應用
      在光的測量中,有很多量可以被測量。不足為奇,光度計的不當選用是造成測量錯誤的一個主要原因。對于多數使用者而言,

      進行有效的光度測量的障礙是缺少光度測量的相關知識,尤其是想在光度單位間進行轉換會導致基本的錯誤。例如,遇到的

      常見的錯誤,是試圖使用照度計(lumen/m2)去測量光通量(lumen),或者,是想用亮度計(candela/m2)去測量光強

      (candela)。

      現在常見的有四種光度測量儀器,分別是亮度計,照度計,光通量計和光強計。

      3.2.3.1 亮度計
      亮度計用來測量光源發射出的可見光譜段能量。因為亮度是具有方向性的,為了更方便的進行測量結果的溝通交流,在測量時

      ,必須要明確儀器的測量角,測量區域和對于光源的測量幾何結構。幾乎所有的光源都不是朗伯發光源(亮度值在所有方向上

      都是一致的),從光源發出的光線并不均勻,所以上述的這些測量因素都是相當重要的。

      由于亮度測量是要瞄著光源進行的,所以可以使用光學鏡頭系統來得到測量結果。視場角和光學鏡頭的測量角必須要有一定限

      制,以避免測量到微小角度偏差而出現的不必要光線。

      亮度測量對產品質量很重要,如交通信號燈,電視屏幕和汽車尾燈。

      3.2 光度計
      3.2.3.2 照度計
      照度計是用來測量落在某物體表面的可見光能量的儀器。照度測量特別容易受光軸以外光線的影響而產生誤差。根據定義,測

      量面上某處的光線應和其入射角的余弦值成正比,但是,由于探頭內傳感器的原因,或是儀器本身的原因,許多照度計并不嚴

      格按照余弦法則去接收光線。

      余弦感應特性通過在傳感器和濾鏡上覆蓋余弦修正漫射罩來實現。需要注意的是,因為系統幾何結構的差異,會產生不同的余

      弦感應特性,導致在不同入射角下得到不一樣的余弦誤差。
      因此,當比較照度測量結果,尤其是涉及到偏離光軸線測量時,一定要理解系統的余弦感應特性。


      照度計被廣泛應用在環境光線的測量中,以決定室內的光線是否適合閱讀或工作。舉個例子,一個舒適的用于閱讀的桌面,其

      照度值應大約在300lx。

      照度計有時也用來計算ANSI流明(特別是在投影儀測量中),方法是取九個探頭的照度平均值,乘以投影儀投射屏幕的面積,

      就得到了ANSI流明值。

      3.2 光度計
      3.2.3.3 光通量計
      光通量測量可以得到光源發射的所有可見光的能量。通過使用積分球,將光源發射的能量匯聚到傳感器上,以便測量。

      通常情況下,積分球要足夠大,才能容納待測光源,而且積分球越大,在測量不同光源時的誤差也就越小。舉個簡單的例子,

      以一盞小的白熾燈作為標準,在直徑為2.5米的積分球內校準一根1.5米長的燈管,所產生的誤差是將燈管放置在直徑2米的積

      分球內所產生誤差的一半。對此種積分球的校準,通過可溯源至國家標準的標準光源來進行。一個高質量的積分球,要求球體

      盡量圓整,其內腔的涂層投入也很大,并且通常是需要根據光源的具體測量應用來定制。因此,作為普通用途的光通量計數量

      非常有限。

      3.2 光度計
      3.2.3.4 光強計

      光強描述了光源在給定方向上一個立體角內發射的光通量,它是用來度量光源功率的物理量。正如定義中所描述的,光強測量

      包含了錯綜復雜的光學幾何結構,如測量方向,測量的立體角數量。由于光源很少是呈空間均勻發射的,所以在測量光強時,

      必須要考慮到測量什么方向的光強和測量多少立體角光強的問題。

      因此,要精確測量光源所發射的光強,需要一組可調整的夾具,用來決定測量中所包含的立體角,以及將光源朝向指定的方向

      用以測量。也就是說,這樣的光強計,在測量時必須要配置測量的光學幾何結構。

      綜上所述,沒有兩件一模一樣的光強計。 在兩組不同光強計測得的結果之間的比較,也是沒有目的,沒有意義的,除非他們

      的測量光學幾何結構是相同的。

      注釋:立體角可以通過已知的傳感器面積和測量距離來計算。傳感器用來測量以流明為單位的光通量。

      3.3 三刺激測色計
      使用三片光譜敏感度吻合CIE三刺激值配色函數曲線的濾光片,用以測量光源色彩的儀器,稱為三刺激測色儀,也叫三濾光片

      測色儀。除了色度測量外,這些儀器通常還包括四種光度測量中的一種,如亮度值,照度值,光強或者是光通量測量。

      這些儀器的傳感器為高質量的光電二極管,并覆有高敏感度的濾光片。傳感器將入射光線轉換為電信號,直接產生標準的XYZ

      三刺激值。

      然而,測色儀的傳感器精度與CIE曲線的吻合度總是有限的,一些小的誤差偏離肯定會存在于測量儀器的敏感度曲線上。在測

      量一些整個可見光譜段放射連續能量的光源時,這些小的誤差可以被忽略掉。但是,如果光譜的譜線比較特殊或帶寬非常窄,

      那么測量就可能出現較大誤差。因此,三濾光片測色儀通常不適用于測量譜線特殊的光源,如高壓放電燈(參考圖3.2.3.5a)

      ,或是譜線帶寬非常狹窄的光源,如LED。

      3.4 分光輻射度計
      分光輻射度計是測量光源光譜能量分布的較理想儀器,不僅能測量輻射度值或光度值,還可以測量色度值。這種儀器測量光源

      的輻射光譜,并計算得到所需的參數,例如色度或亮度。無論是使用光柵分光,還是用棱鏡分光,儀器測得的光源數據都是一

      致的。

      CIE Vλ曲線和CIE配色函數曲線是以數據形式存儲在儀器中,并用來處理從待測光源處測量到的光譜能量分布數據。因此,相

      比于光度計和三刺激測色計,由于傳感器敏感度匹配不好而引起的測量誤差,分光輻射度計都不存在。無論如何,足夠的敏感

      度,高線性,低雜光影響,低偏振光干擾,5nm甚至更窄半波寬的應用,是得到高精度數據的基本要求。

      無熱能輻射體,例如高壓放電燈(其光譜能量分布非連續),或者是能量分布帶寬非常狹窄的一些物體,都只能使用分光輻射

      度計測量。
      當然,與三刺激測色計相比,分光輻射度計也有一些不足,如測量速度較慢,價格和攜帶性等問題。

      對光源待測物理量的理解,以及測量這些物理量所需要的測量條件和方法的理解,將會確保我們在特定的測量應用中,使用正

      確的輻射度計或光度計。

      此份資料并未涵蓋全部,只是簡單涉及到了一些使用者應該知道的光源測量概念和方法,內容基本基于供應商和客戶經常討論

      到的一些項目。

       

       

       


       

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