光量測基礎知識——基本概念

一、簡介

光度測量（photometry）學是測量人眼對光的響應的科學。

由于人眼是一個高度復雜的器官，這無疑是一個非常困難的工作。它涉及到多個學科，心理學、生理學和物理學等。

1924年，CIE(國際照明委員會)組織會議定義人眼對光平均響應值，從此光度測量學就成為一門現(xiàn)代學科。該委員會抽樣測試了大量人群，將得到的數(shù)據(jù)繪制成明視（photopic）曲線。該曲線表明人眼對綠光反應敏感，對紫光和紅光則反應較弱。
實驗表明，在暗視場情況下，人眼有完全不同的響應值，在此情況下，人眼也無法辨別顏色。于是，又進行了一系列測試，繪制出了暗視（scotopic）曲線暗視視見函數(shù)。

有了人眼的光譜響應曲線，CIE規(guī)定了標準光源作為光強量測的標準。第一個標準光源是一特殊的蠟燭，由此得出footcandle和candlepower的定義。為了*大可能的提高重復性，1948年，對標準進行了重新定義--一定量的金屬鉑融化所發(fā)出的光。

二、基本概念

光度的基本概念是流明（lumen），是一個與輻射度（radiometric）中的Watt相關的概念,關系如下：
lm=683·W·V(λ)

V(λ)-相對發(fā)光度，由視見函數(shù)得出的一個系數(shù)，把人眼在555nm(靈敏波長)的值規(guī)定為1

兩個重要的光度學定理：

1、平方反比定理:連續(xù)光強光源在光接受表面的照度（illumination）與光源到接受表面距離之間的關系， 即，照度值與該光源到接收面之間的距離的平方成反比。因此，理想的照度測量必須要能精確控制距離的大小，如果某光源在某一距離的照度值已知，除非其他條件影響，任何距離的照度都可以經(jīng)計算獲得。

2、余弦定理：一定面積上的光強，因入射角的不同而隨之變化，這是因為實際投影面積隨入射角的增大成比例的減少。這樣，在環(huán)境照明測試時，探頭需要進行余弦校正來計算實際值。否則，就會產(chǎn)生相當大的誤差，尤其當入射角較小時，誤差更大。

光度量測的主要問題是如何再現(xiàn)人眼對光譜的響應。電子探頭獨特的響應特征完全不同于CIE標準觀者。為此，探頭必須能按光譜校正數(shù)據(jù)。通常有兩個方法達到該目的，一是通過不同波長掃描、探測，二是匹配濾濾光片法。

掃描法是用單色儀或多通道探測器來完成測試，在這種方法里，光源的光強被逐波長的測試，測得的數(shù)據(jù)根據(jù)明視視見函數(shù)進行計算，得到測量結(jié)果。由上可見，該技術(shù)需要微處理器，要有一定的掃描精度，因此并不實用，而且，價格昂貴，操作復雜。
光學濾光片法提供了一個簡單、經(jīng)濟的解決方案。因只有一個光電信號需要處理，因此一個單通道的電子處理器即可。近來濾光片設計技術(shù)的改進，以及固體探測器技術(shù)的提升，提高了該技術(shù)在光度量測上的正確度。

濾光片匹配技術(shù)是在探測器前加一有色濾光鏡（colored-glass filter）,該濾光鏡可以對不同波長進行選擇性衰減，直到符合CIE視見函數(shù)曲線。平面散射的Si光敏二極管，在可見光譜范圍內(nèi)具有良好的線性響應和極高的靈敏度，因此是理想的光探測器。使用Si探測器，再加上先進的濾光片設計，UDTI公司的光度計與CIE視見函數(shù)曲線僅有1%的誤差。根據(jù)CIE的統(tǒng)計，這是合適的匹配值。

表示光度量測探頭性能的一個非常重要的參數(shù)就是f1′,這是由CIE協(xié)會定義的一個數(shù)值，由光度探測器的平均誤差與CIE視見函數(shù)的比值得該數(shù)值。高精度------實驗室級精度的探測器的f1′<1.5%，一般的應用要求f1′<3%。

需要指出的是，探測器與濾光片之間的匹配是非常精密的，一旦匹配完成之后，就不能與其他的探測器/濾光片的配對互換。每一個探測器都有一個獨特的響應特征，需要與特定厚度和層數(shù)的濾光片結(jié)合。

探測器的響應值確定了以后，就要用標準轉(zhuǎn)移技術(shù)來進行校正。標準探測器由NIST提供。將探測器/濾光片的配對定位于一個光源前，光源要求能夠輸出連續(xù)波長和強度，一般用鹵化鎢燈。這樣，對被校正探測器的輸出電信號與標準探測器的信號進行對比。

探頭的光響應值確定了以后，就可以匹配一個精密的增益控制電子放大器和數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)。