光量测基础知识——基本概念

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(国际照明委员会)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，人眼有完全不同的响应值，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。第一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精确控制距离的大小，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。电子探头独特的响应特征完全不同于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光敏二极管，在可见光谱范围内具有良好的线性响应和极高的灵敏度，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，这是合适的匹配值。

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独特的响应特征，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。