光量測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)——基本概念

一、簡(jiǎn)介

光度測(cè)量（photometry）學(xué)是測(cè)量人眼對(duì)光的響應(yīng)的科學(xué)。

由于人眼是一個(gè)高度復(fù)雜的器官，這無疑是一個(gè)非常困難的工作。它涉及到多個(gè)學(xué)科，心理學(xué)、生理學(xué)和物理學(xué)等。

1924年，CIE(國(guó)際照明委員會(huì))組織會(huì)議定義人眼對(duì)光平均響應(yīng)值，從此光度測(cè)量學(xué)就成為一門現(xiàn)代學(xué)科。該委員會(huì)抽樣測(cè)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(duì)綠光反應(yīng)敏感，對(duì)紫光和紅光則反應(yīng)較弱。
實(shí)驗(yàn)表明，在暗視場(chǎng)情況下，人眼有完全不同的響應(yīng)值，在此情況下，人眼也無法辨別顏色。于是，又進(jìn)行了一系列測(cè)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(yīng)曲線，CIE規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)光源作為光強(qiáng)量測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)性，1948年，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(gè)與輻射度（radiometric）中的Watt相關(guān)的概念,關(guān)系如下：
lm=683·W·V(λ)

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

兩個(gè)重要的光度學(xué)定理：

1、平方反比定理:連續(xù)光強(qiáng)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(guān)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(cè)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(jì)算獲得。

2、余弦定理：一定面積上的光強(qiáng)，因入射角的不同而隨之變化，這是因?yàn)閷?shí)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(cè)試時(shí)，探頭需要進(jìn)行余弦校正來計(jì)算實(shí)際值。否則，就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差，尤其當(dāng)入射角較小時(shí)，誤差更大。

光度量測(cè)的主要問題是如何再現(xiàn)人眼對(duì)光譜的響應(yīng)。電子探頭獨(dú)特的響應(yīng)特征完全不同于CIE標(biāo)準(zhǔn)觀者。為此，探頭必須能按光譜校正數(shù)據(jù)。通常有兩個(gè)方法達(dá)到該目的，一是通過不同波長(zhǎng)掃描、探測(cè)，二是匹配濾濾光片法。

掃描法是用單色儀或多通道探測(cè)器來完成測(cè)試，在這種方法里，光源的光強(qiáng)被逐波長(zhǎng)的測(cè)試，測(cè)得的數(shù)據(jù)根據(jù)明視視見函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到測(cè)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(shí)用，而且，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜。
光學(xué)濾光片法提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的解決方案。因只有一個(gè)光電信號(hào)需要處理，因此一個(gè)單通道的電子處理器即可。近來濾光片設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，以及固體探測(cè)器技術(shù)的提升，提高了該技術(shù)在光度量測(cè)上的正確度。

濾光片匹配技術(shù)是在探測(cè)器前加一有色濾光鏡（colored-glass filter）,該濾光鏡可以對(duì)不同波長(zhǎng)進(jìn)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(yīng)和極高的靈敏度，因此是理想的光探測(cè)器。使用Si探測(cè)器，再加上先進(jìn)的濾光片設(shè)計(jì)，UDTI公司的光度計(jì)與CIE視見函數(shù)曲線僅有1%的誤差。根據(jù)CIE的統(tǒng)計(jì)，這是合適的匹配值。

表示光度量測(cè)探頭性能的一個(gè)非常重要的參數(shù)就是f1′,這是由CIE協(xié)會(huì)定義的一個(gè)數(shù)值，由光度探測(cè)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(shí)驗(yàn)室級(jí)精度的探測(cè)器的f1′<1.5%，一般的應(yīng)用要求f1′<3%。

需要指出的是，探測(cè)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(cè)器/濾光片的配對(duì)互換。每一個(gè)探測(cè)器都有一個(gè)獨(dú)特的響應(yīng)特征，需要與特定厚度和層數(shù)的濾光片結(jié)合。

探測(cè)器的響應(yīng)值確定了以后，就要用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移技術(shù)來進(jìn)行校正。標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器由NIST提供。將探測(cè)器/濾光片的配對(duì)定位于一個(gè)光源前，光源要求能夠輸出連續(xù)波長(zhǎng)和強(qiáng)度，一般用鹵化鎢燈。這樣，對(duì)被校正探測(cè)器的輸出電信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

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