江湖x李佩芷潜质:积分球光通量及亮度的测量

第三章　光通量及亮度的测量

§３-1理想积分球原理及光通量标准灯

§３-2积分球实际结构及球内壁的喷涂

§３-3相对比较法测总光通量

§３-4影响积分球测量精度的因素及其修正方法

§３-5分布光度计测量光通量的原理和装置

§３-6亮度的测量及紫外线亮度的测量

§３-１理想积分球原理及光通量标准灯

理想积分球的条件：

①积分球的内表面为一完整的几何球面,半径处处相等

②球内壁是中性均匀漫射面，对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比

③球内没有任何物体,光源也看作只发光而没有实物的抽象光源

理想积分球原理：

１.积分球（光通球或球形光度计）结构：

①内部空的完整球壳,内壁涂白色的漫射层

②球直径按待测灯尺寸和功率大小而定,直径D=1m、2m、3m等

③球壁上开一小窗口,其直径d∝r(灯的尺寸）

④球上开一个小门,或打开个口方便装取灯,有接线架、灯头、挡屏等

2.积分球原理：

  设光源S直接在球内任一点建立的照度E_A，在M处

的照度为E_MA处dS发生第一次漫射出度为：              

故由朗伯定律的特性知dS面的光亮度为：

A处dS发生漫射在M处产生的二次照度为:

上式代入得

整个球面发生一次漫射在M处建立的二次照度为：

类似分析为：二次漫射光线在M处建立的三次照度

为：

同理：

则M点的总照度E_M为:

故用小挡屏挡住S直接射向M点的光线时，则E₁=0

   上式中r、ρ均为常数,球壁上任何位置的E与光

源S的总光通量Φ_总成正比,因此可以通过测量球壁

上开的小窗口的照度来计算光源的总光通量Φ_总。

原理:标准光源的光通量已知Φ_S,E_ρS可测得,在待

     测光源的E_ρX测得后,即可用相对比较法测得

     待测光源的Φ_总即为球型光度计测量光源总光

     通量的原理。

光通量标准灯

1.满足标准灯的条件：

   ①有一定的强度和光谱能量分布

   ②发光稳定

   ③具有很好的重复性

   ④制备和使用方便

(光通量标准灯的供电监测系统和光强标准灯相同)

2.国产标准灯种类：

     BDT、BDP和BDX型

3.使用注意事项：

①标准灯在标定量值前,要按规定在超压5%的情况

下,老练40-50小时,并进行稳定性实验,再经国家计

量部门标定量值后逐级传递到使用部门.低级标灯

稳压供电,高级标灯稳流供电

②标灯使用过程中要严格按照标准、规则执行,根

据测试要求选用适当级别的标灯,并按规定定期到

计量部门检定。

§３-２积分球实际结构及球内壁的喷涂

光通球的实际结构示意图：

球体的要求：

1.采用不易变形以及不易受环境影响的材料制成

2.球内表面应光滑,力求各处曲率半径相同

3.球的密闭性要好

4.为减小测量误差,灯应安装在球心

5.灯的支架应采用细金属管,里边装电线

（应尽量减少球内部件的件数和部件的体积）

挡屏的放置：

1.挡屏的中心在球心与窗口的中心连线上，离球心r/3处

2.设光源的最大尺寸为2b,窗口的直径为2a,挡屏的半径为d如下图所示:

则有：

分析：

    b↑→d↑→s_AB↑、s_CD↑→测量误差↑

因此：

    要求灯的最大尺寸不超过球体直径的1/6-1/10

球内壁的喷涂：

1.球内壁喷涂白色涂料(硫酸钡或氧化镁)使积分球

 具有良好的光谱漫射特性和较小的光谱选择性

2.内壁喷涂方法：

①喷涂前用砂纸去锈、磨光,然后用汽油清洗干净,

 如果表面凹凸不平,则用油灰找平并喷上一层白色

 无光底漆,最后再喷涂料

②喷涂时用喷雾器进行喷涂,不用手工喷涂,一般干

  一层喷一层,每层厚度为0.5-1.5mm之间,喷10次以上             

§３-３相对比较法测总光通量

测量前准备工作：

1.在球内点燃一只白炽灯去潮气,使球内壁漫发射

  稳定和预照光电池使其稳定

2.测量时依次点燃标准灯和待测灯

相对比较法测量光源总光通量原理：

装标灯在球心：                  

                            ①

装待测灯在球心：               

                            ②

由①/②得：

若探测器在线性范围内工作,i∝E则有：　   

   i_s、i_x 分别为标灯和待测灯的电流可测出，Φ_s

标灯的光通量已知,由上式便可得到待测灯的光通

量Φ_x,若测出P_灯或U_灯、I_灯,也可计算出灯的光效

η=Φ/P_电

测量步骤：

①把标准灯装在球心点燃5-10分钟,记下光电流i_s

  后,把电源关掉,取下标灯

②装上待测灯点燃5-15分钟待其稳定后,记下光电

  流ix、P_灯（U_灯、I_灯）

③据Φ_x=(i_s/i_x)·Φ_s计算出灯的总光通量,并由

  η=Φ/P_电算出待测灯的光效（注：应多次测量求

  平均值）

注意事项：

1.光通球质量好

2.标灯与待测灯均在额定电压下工作稳定性要好：

（频率：50±0.5Hz　电压：220±0.2V）

3.光通量偏离完好性较远应多测几次求平均值(至

 少测量3次)

Ø  思考：根据以上要求实际测量时的测量步骤？

§３-４影响积分球测量精度的因素及其修正方法

光通球测光源光通量的假定：

1.球内壁是均匀的理想漫射层，服从朗伯定则

2.球内壁各点的反射率相等

3.球内壁白色涂层的漫射是中性的

4.球半径处处相等，球内除灯外无其他物体存在

5.窗口材料是中性的，其E符合照度的余弦定则.实

  际情况与理想条件不符合会带来测量误差,故需修正

自吸收产生的误差和修正：

1.待测灯与标灯在光通球里对光通量的吸收不同而

  产生误差

2.修正方法：

  测修正系数:

     α₁=装标灯在球心(不点燃)/装待测灯在球心(不点燃)

       =i_s/i_x

α₁—自自吸收系数

光谱功率分布不同产生的误差和修正:

1.测光系统的等效光透射比为： 

2.标灯与待测灯的透射率ρ_（λ）不同而产生测量误差

3.修正方法：

  测修正系数：

          α₂—选择性修正系数

色温差产生的误差和修正：

1.各种光源的色温相差很大.在测量不同色温光源

  时,加上V_(λ)修正滤光片以使测量结果达到一定精度，在高精度测量时，需对测量结果进行修正即为色修正

2.修正方法：

  测修正系数:

总的修正公式：

考虑修正因数后总的修正公式为：

§３-５分布光度计测量光通量的原理和装置

分布光度计与积分球的比较：

1.积分球:测试方法简单,但条件限制多,测量误差

        大;高功率的光源测总光通量时会将测试仪

        器损坏或烤焦球壁。

2.分布光度计:不论功率多大,发热量多高均可用分

            布光度计测量.只是测试装置比较复杂,

            价格高.(测试时间由于引入了计算机

            已得到了改善）

工作原理：

  由光通量定义有:              故只要测出在

△A面积上的光照度E,再乘以△A,即可求得点光源在

单位立体角内光通量的大小。

  设想一闭合球面包围光源,将球面分割成若干面

积元S₁、S₂、S₃……测出各个面积元上所对应的照

度为E₁ 、E₂ 、E₃……求出各个面元上的光通量为

E₁S₁ 、E₂S₂ 、E₃S₃ ……

再求和即可得到总的光通量为：       

　　　　　　　　　即为分布光度计的工作原理

　　每个球带的面积为:

　　　　　　　　总光通量为：

计算光通量的几种方法：

    等角度系数法、等立体角法、作图法

1.等角度系数法(图如下)以等角度的方法分割球面

第一个球冠的面积为：                     

第二个球冠的面积为：

第i个球带的面积为：

则总的光通量为：

   E_i计算方法:

①            为球带系数:可每隔  或  进

  行分度,先将球带系数计算出来(一般以  和   进行分度)

②照度可用照度计在        位置测量出照度,

  称为      的平均照度;也可分别测量θ_i-1和θ_i处的照度E_i-1和E_i,再求两者的平均值

  即        　作为平均照度

（注：以上求法光源光强分布为轴对称的,不对称

      则可适当绕垂直轴转动被测光源,分别测定

      相应的光照度，再计算总光通量）

等角度法的缺陷：

   球面积不同,      球带面积大,      的球冠

面积最小,            测量误差大，计算复杂

2.等立体角法：

将闭合球面分成N等份,则每个球带的面积为：

则通过第i条球带的光通量为E_iS_i故总的光通量为：

   E_i计算方法:

①将每个球带再分成两等份,在等分线上测量球带

  的照度,作为每个球带的平均照度.关键在求等分角α

②求测量方向角α(平分线角度)：

  第i个球带的面积为：

分布光度计：

1.种类：立式（见书P₃₆图）和卧式分布光度计

2.常用全自动控制分布光度计：可测量光源的总光通量,还可测量任一截面内光源在各个方向上的发光强度分布（即光源的配光曲线）

§３-６亮度的测量及紫外线亮度的测量

透镜成像光亮度的确定：

当S，S^’远小于Ｌ₁ ,Ｌ₂时,由S发射并通过透镜的光

通量为:

Φ在S^’接受面上产生的照度为：

由图知:

若系统的物像空间介质不同则有:

     n^’物空间介质的折射率

     n 像空间介质的折射率

亮度计测量亮度：

1.亮度计工作原理：

  光电倍增管受光的作用产生光电流→光电流被放

大器放大后进入仪表→由仪表的刻度与亮度的定标

关系，便可读出其亮度值。

2.亮度计的定标：

对于亮度板

3.亮度计定标方法：

  用光强标准灯照射白色漫射板，改变标准灯和白

板的距离L，可以得到一系列光亮度值，由不同光

亮度值对仪表进行分度，即为亮度计的定标．

4.注意事项:

  在定标前,必须进行调整,其调整方法和光强测量

方法相同,切勿让杂散光进入亮度计的接受装置,以

免产生误差

5.亮度计的作用:

   测量光源的亮度和显像屏幕的照明效果

紫外辐射量的测量:

1.紫外接受器的选择:

   必须选用对紫外灵敏的光电或热电探测器作为

接受器

2.紫外辐射照度的测量与光照度测量的区别：

①测试装置不同   

②计量单位不同

③定标用的计量标准不同  

3.紫外辐射量的测量方法:

                光电法、生物法、光化学效应法

4.紫外辐射照度计的接受器及各接受器的光谱响应

度范围：

①选择性接受器：紫敏光电池、发光二极管、

                光电管、光电倍增管      

光谱响应度范围：GD-5真空光电管（180-600nm）

　　　　　　　　SH₂光电倍增管(160-870nm)

②无选择性接受器:热电偶、热敏电阻接受器响应

度在200-400nm的紫外线区内均有很好的响应度

5.紫外辐射照度计的定标：

①按图装置好器材，使l≥10r(r-辐射源线度）

②在不同的l（距离）下，测量计算下列有关物理量纪录如下：

　　　　　　　　　 L₁         L₂         L₃

紫外辐射照度计i值   i₁         i₂         i₃

 绝对辐射功率值      P₁         P₂         P₃

辐射照度E＝P/A     E₁         E₂E₃

A-光栏透光孔径的面积　　   

③根据计算结果作出E-i定标曲线

④在照度计表盘上，根据E-i定标曲线将(电流）i

刻度转换为与之对应的辐射照度刻度

6.使用照度计的注意事项：

①避免强光照射    

②工作温度应在20±1℃

③通带滤光片换时，必须重新标定并测量其光谱透

  射比

紫外辐射通量的测量：

紫外辐射通量的测量与光通量的测量原理和方法基

本相似，不同如下：

①球内壁漫反射涂料在200-400nm范围内的光谱反

射要接近中性，化学稳定性要高

②光导管(用GD-5真空光电管、 SH₂光电倍增管)

或热电偶(BZ-1B型真空热电偶)前面加通带滤光片

结束语