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光的知識(shí)
3.1 輻射計(jì)
輻射計(jì)是用來測(cè)量輻射能量強(qiáng)度的儀器。大多數(shù)的輻射計(jì)只使用一塊光電傳感器,為了測(cè)定特定光譜段的輻射能量,或是為使
輻射計(jì)有特定的光譜感應(yīng),通常都會(huì)使用到光學(xué)濾鏡。這樣的光學(xué)濾鏡簡單可靠,并且行之有效。
輻射計(jì)在工業(yè)上的應(yīng)用,主要包括輻射照度測(cè)量和輻射亮度測(cè)量。?如果計(jì)算從光源出來的輻射量,通常會(huì)用到輻射亮度。如
果關(guān)心的是曝光的級(jí)別,那么就要進(jìn)行輻射照度或累積輻射照度的測(cè)量。
3.1.1 輻射計(jì)應(yīng)用
輻射計(jì)通常使用在計(jì)算可見光普段外的輻射測(cè)量時(shí),例如,紅外和紫外的測(cè)量。紫外線(UV)在各種工業(yè)應(yīng)用中也是很常見的
,例如,
半導(dǎo)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(cè)試
生物學(xué)應(yīng)用
要使用輻射計(jì)進(jìn)行UV 測(cè)量,無論輻射照度或輻射亮度測(cè)量,光譜感應(yīng)(波長范圍和特征波長)應(yīng)該和特定的應(yīng)用相吻合。
除了UV 以外,紅外線測(cè)量也是輻射計(jì)測(cè)量的一個(gè)重要部分。所有的物體都根據(jù)本身的熱能量向外輻射紅外線,利用這一點(diǎn),
通過測(cè)量物體的紅外線發(fā)射情況,就能知道物體的溫度。這種非接觸式的測(cè)量儀器就是紅外測(cè)溫儀。因此,這樣的測(cè)溫儀也通
常被稱作“輻射測(cè)溫儀”。使用不同特性的濾鏡,就能夠有不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的應(yīng)用溫度范圍。如果想知道更多關(guān)于紅外
測(cè)量的情況,請(qǐng)參閱我們出版的《溫度測(cè)量漫談》。
3.2 光度計(jì)
光度計(jì)是對(duì)可見光區(qū)域進(jìn)行測(cè)量的儀器。亮度計(jì)和照度計(jì)是常見的光度計(jì),也是有效的可見光測(cè)量解決方案。由于要牽扯
到幾何學(xué)的測(cè)量,光通量計(jì)和光強(qiáng)計(jì)應(yīng)用并不廣泛,如果要使用,也需要根據(jù)特定的應(yīng)用領(lǐng)域而定制。
輻射計(jì)和光度計(jì)基本的區(qū)別,是后者必須以CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者的特性去測(cè)量光。也就是說,光度計(jì)的光譜感應(yīng)必須要吻合CIE
標(biāo)準(zhǔn)光度函數(shù)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(yīng)度。但是,它與Vλ之間還是有一定的偏離的,對(duì)于精
確的光度測(cè)量不是非常適合,通常運(yùn)用在自動(dòng)光開關(guān)領(lǐng)域。大多數(shù)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(xué)濾鏡。通過濾鏡和傳感器的有機(jī)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(shí)到,需要建立一套有效且國際化的應(yīng)用方法來標(biāo)識(shí)光度計(jì)傳感器的質(zhì)量等級(jí)。因此,建立了f1值。f1值指的是一個(gè)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(jì)
3.2.2 校準(zhǔn)方法
除了f1值外,光度計(jì)的校準(zhǔn)方法也是決定儀器是否適合特定應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要因素。例如,對(duì)于一臺(tái)f1值相對(duì)較大的光度計(jì)
,只要校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)燈和被測(cè)光源相類似時(shí),也能夠得到很精確的結(jié)果。
有兩種基本的方法用來校準(zhǔn)光度計(jì)。第一種也是常用的方法是使用一盞標(biāo)準(zhǔn)燈(通常是鎢絲燈),這些燈都是驗(yàn)證過并可溯
源至國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室/國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。光度計(jì)校準(zhǔn)時(shí),其顯示結(jié)果會(huì)被調(diào)整至和標(biāo)準(zhǔn)燈輸出一致。第二種校準(zhǔn)方法是使用標(biāo)準(zhǔn)
檢測(cè)儀。這樣的檢測(cè)儀有內(nèi)建的,完美吻合CIEVλ曲線的傳感器。用這樣的校準(zhǔn)方法,仍舊需要一盞標(biāo)準(zhǔn)燈,輸出可以調(diào)節(jié)但
必須要穩(wěn)定。先用標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)燈的輸出,然后用待校光度計(jì)測(cè)量,調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀測(cè)量到的相同數(shù)值。當(dāng)然,這些
標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀也要被驗(yàn)證并可溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.2.1 色彩修正系數(shù)
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(zhǔn)時(shí)所用燈的色溫是很關(guān)鍵的
。當(dāng)大多數(shù)的光度計(jì)以鎢絲燈作校準(zhǔn)時(shí),用來測(cè)量白熾燈、鹵素?zé)艉吞柟鈺r(shí)能得到精確的值。但是,測(cè)量單色光和窄帶輻射
體,例如,藍(lán)色和白色LED時(shí)不是非常適合。測(cè)量氣體放電燈,例如,冷光燈,會(huì)在可見光譜區(qū)內(nèi)顯示清晰的特征波峰。
因此,現(xiàn)在的光度計(jì)為了彌補(bǔ)傳感器的光譜敏感度和CIE標(biāo)準(zhǔn)光度函數(shù)曲線Vλ之間的誤差,都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的色彩修正系數(shù),
簡稱為CCF。當(dāng)傳感器的光譜敏感度和光源的光譜能量分布已知時(shí),就能夠計(jì)算出CCF值。改變CCF值是將當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)(例如
,由輻射計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換為光度計(jì)數(shù)據(jù)的簡單有效的方法。CCF也可被作為用戶校準(zhǔn)的特性參數(shù),尤其是需要室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)
溯源時(shí)更有實(shí)際使用價(jià)值。
3.2 光度計(jì)
3.2.3 光度計(jì)應(yīng)用
在光的測(cè)量中,有很多量可以被測(cè)量。不足為奇,光度計(jì)的不當(dāng)選用是造成測(cè)量錯(cuò)誤的一個(gè)主要原因。對(duì)于多數(shù)使用者而言,
進(jìn)行有效的光度測(cè)量的障礙是缺少光度測(cè)量的相關(guān)知識(shí),尤其是想在光度單位間進(jìn)行轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致基本的錯(cuò)誤。例如,遇到的
常見的錯(cuò)誤,是試圖使用照度計(jì)(lumen/m2)去測(cè)量光通量(lumen),或者,是想用亮度計(jì)(candela/m2)去測(cè)量光強(qiáng)
(candela)。
現(xiàn)在常見的有四種光度測(cè)量儀器,分別是亮度計(jì),照度計(jì),光通量計(jì)和光強(qiáng)計(jì)。
3.2.3.1 亮度計(jì)
亮度計(jì)用來測(cè)量光源發(fā)射出的可見光譜段能量。因?yàn)榱炼仁蔷哂蟹较蛐缘?,為了更方便的進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的溝通交流,在測(cè)量時(shí)
,必須要明確儀器的測(cè)量角,測(cè)量區(qū)域和對(duì)于光源的測(cè)量幾何結(jié)構(gòu)。幾乎所有的光源都不是朗伯發(fā)光源(亮度值在所有方向上
都是一致的),從光源發(fā)出的光線并不均勻,所以上述的這些測(cè)量因素都是相當(dāng)重要的。
由于亮度測(cè)量是要瞄著光源進(jìn)行的,所以可以使用光學(xué)鏡頭系統(tǒng)來得到測(cè)量結(jié)果。視場(chǎng)角和光學(xué)鏡頭的測(cè)量角必須要有一定限
制,以避免測(cè)量到微小角度偏差而出現(xiàn)的不必要光線。
亮度測(cè)量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量很重要,如交通信號(hào)燈,電視屏幕和汽車尾燈。
3.2 光度計(jì)
3.2.3.2 照度計(jì)
照度計(jì)是用來測(cè)量落在某物體表面的可見光能量的儀器。照度測(cè)量特別容易受光軸以外光線的影響而產(chǎn)生誤差。根據(jù)定義,測(cè)
量面上某處的光線應(yīng)和其入射角的余弦值成正比,但是,由于探頭內(nèi)傳感器的原因,或是儀器本身的原因,許多照度計(jì)并不嚴(yán)
格按照余弦法則去接收光線。
余弦感應(yīng)特性通過在傳感器和濾鏡上覆蓋余弦修正漫射罩來實(shí)現(xiàn)。需要注意的是,因?yàn)橄到y(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)的差異,會(huì)產(chǎn)生不同的余
弦感應(yīng)特性,導(dǎo)致在不同入射角下得到不一樣的余弦誤差。
因此,當(dāng)比較照度測(cè)量結(jié)果,尤其是涉及到偏離光軸線測(cè)量時(shí),一定要理解系統(tǒng)的余弦感應(yīng)特性。
照度計(jì)被廣泛應(yīng)用在環(huán)境光線的測(cè)量中,以決定室內(nèi)的光線是否適合閱讀或工作。舉個(gè)例子,一個(gè)舒適的用于閱讀的桌面,其
照度值應(yīng)大約在300lx。
照度計(jì)有時(shí)也用來計(jì)算ANSI流明(特別是在投影儀測(cè)量中),方法是取九個(gè)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(jì)
3.2.3.3 光通量計(jì)
光通量測(cè)量可以得到光源發(fā)射的所有可見光的能量。通過使用積分球,將光源發(fā)射的能量匯聚到傳感器上,以便測(cè)量。
通常情況下,積分球要足夠大,才能容納待測(cè)光源,而且積分球越大,在測(cè)量不同光源時(shí)的誤差也就越小。舉個(gè)簡單的例子,
以一盞小的白熾燈作為標(biāo)準(zhǔn),在直徑為2.5米的積分球內(nèi)校準(zhǔn)一根1.5米長的燈管,所產(chǎn)生的誤差是將燈管放置在直徑2米的積
分球內(nèi)所產(chǎn)生誤差的一半。對(duì)此種積分球的校準(zhǔn),通過可溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)光源來進(jìn)行。一個(gè)高質(zhì)量的積分球,要求球體
盡量圓整,其內(nèi)腔的涂層投入也很大,并且通常是需要根據(jù)光源的具體測(cè)量應(yīng)用來定制。因此,作為普通用途的光通量計(jì)數(shù)量
非常有限。
3.2 光度計(jì)
3.2.3.4 光強(qiáng)計(jì)
光強(qiáng)描述了光源在給定方向上一個(gè)立體角內(nèi)發(fā)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(qiáng)測(cè)量
包含了錯(cuò)綜復(fù)雜的光學(xué)幾何結(jié)構(gòu),如測(cè)量方向,測(cè)量的立體角數(shù)量。由于光源很少是呈空間均勻發(fā)射的,所以在測(cè)量光強(qiáng)時(shí),
必須要考慮到測(cè)量什么方向的光強(qiáng)和測(cè)量多少立體角光強(qiáng)的問題。
因此,要精確測(cè)量光源所發(fā)射的光強(qiáng),需要一組可調(diào)整的夾具,用來決定測(cè)量中所包含的立體角,以及將光源朝向指定的方向
用以測(cè)量。也就是說,這樣的光強(qiáng)計(jì),在測(cè)量時(shí)必須要配置測(cè)量的光學(xué)幾何結(jié)構(gòu)。
綜上所述,沒有兩件一模一樣的光強(qiáng)計(jì)。 在兩組不同光強(qiáng)計(jì)測(cè)得的結(jié)果之間的比較,也是沒有目的,沒有意義的,除非他們
的測(cè)量光學(xué)幾何結(jié)構(gòu)是相同的。
注釋:立體角可以通過已知的傳感器面積和測(cè)量距離來計(jì)算。傳感器用來測(cè)量以流明為單位的光通量。
3.3 三刺激測(cè)色計(jì)
使用三片光譜敏感度吻合CIE三刺激值配色函數(shù)曲線的濾光片,用以測(cè)量光源色彩的儀器,稱為三刺激測(cè)色儀,也叫三濾光片
測(cè)色儀。除了色度測(cè)量外,這些儀器通常還包括四種光度測(cè)量中的一種,如亮度值,照度值,光強(qiáng)或者是光通量測(cè)量。
這些儀器的傳感器為高質(zhì)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(zhuǎn)換為電信號(hào),直接產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的XYZ
三刺激值。
然而,測(cè)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(huì)存在于測(cè)量儀器的敏感度曲線上。在測(cè)
量一些整個(gè)可見光譜段放射連續(xù)能量的光源時(shí),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(cè)量就可能出現(xiàn)較大誤差。因此,三濾光片測(cè)色儀通常不適用于測(cè)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(jì)
分光輻射度計(jì)是測(cè)量光源光譜能量分布的較理想儀器,不僅能測(cè)量輻射度值或光度值,還可以測(cè)量色度值。這種儀器測(cè)量光源
的輻射光譜,并計(jì)算得到所需的參數(shù),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(cè)得的光源數(shù)據(jù)都是一
致的。
CIE Vλ曲線和CIE配色函數(shù)曲線是以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)在儀器中,并用來處理從待測(cè)光源處測(cè)量到的光譜能量分布數(shù)據(jù)。因此,相
比于光度計(jì)和三刺激測(cè)色計(jì),由于傳感器敏感度匹配不好而引起的測(cè)量誤差,分光輻射度計(jì)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(yīng)用,是得到高精度數(shù)據(jù)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(xù)),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(jì)測(cè)量。
當(dāng)然,與三刺激測(cè)色計(jì)相比,分光輻射度計(jì)也有一些不足,如測(cè)量速度較慢,價(jià)格和攜帶性等問題。
對(duì)光源待測(cè)物理量的理解,以及測(cè)量這些物理量所需要的測(cè)量條件和方法的理解,將會(huì)確保我們?cè)谔囟ǖ臏y(cè)量應(yīng)用中,使用正
確的輻射度計(jì)或光度計(jì)。
此份資料并未涵蓋全部,只是簡單涉及到了一些使用者應(yīng)該知道的光源測(cè)量概念和方法,內(nèi)容基本基于供應(yīng)商和客戶經(jīng)常討論
到的一些項(xiàng)目。
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