光度計量隨筆

1.光學計量簡介

光學計量測試包括的範圍相當廣泛,目前國家已在許多方面建立了計量標準和測試手段。主要包括:光度、光譜光度、色度、輻射度、激光參數、光學材料參數、光學薄膜參數、成像光學、微光像增強器及夜視儀器參數、光纖和光通信函數、光電子器件參數等計量測試。

2.輻射度計量簡介

輻射度計量測試的主要任務是在整個光譜範圍內進行輻射能量和輻射功率的測量。在光輻射計量中,不再包含人的視覺因素影響而是把光作爲一種電磁輻射進行測量。由於輻射特性得到廣泛的應用,如紅外製導、紅外成像,空間科學等領域都需要對其輻射量進行精確計量與測試,因此建立光譜輻射計量標準是非常必要的。光輻射的計量範圍較寬,它包括的波長範圍從紫外、可見一直到紅外。其主要計量參數有輻射通量、輻射強度、輻射亮度、輻射出射度和輻射照度。

3.立體角

立體角,常用字母Ω表示,是一個物體對特定點的三維空間的角度,是平面角在三維空間中的類比。它描述的是站在某一點的觀察者測量到的物體大小的尺度。錐體的立體角大小定義爲,以錐體的頂點爲球心作球面,該錐體在球表面截取的面積S與球半徑平方之比,單位爲球面度。

                                

 

4.球面度

球面度(Sr=Steradian)是立體角的計量單位。面積爲半徑平方(r2)的球表面對球心的張角等於1球面度。因爲球的表面積是4πr2,所以,整個球面有4π球面度。立體角的大小與球面大小無直接關係,對於一個特定的觀察點,一個在該觀察點附近的小物體有可能和一個遠處的大物體有着相同的立體角。

5.黑體

黑體(black body),是一個理想化了的物體,它能夠吸收外來的全部電磁輻射,並且不會有任何的反射與透射。換句話說,黑體對於任何波長的電磁波的吸收係數爲1,透射係數爲0。黑體一詞是在1862年由基爾霍夫所命名並引入熱力學內,黑體所輻射出來的光線則稱做黑體輻射。黑體單位表面積的輻射功率P與其溫度的四次方成正比。

6.輻射度量

輻射度計量是研究有關X射線、紫外輻射可見光、紅外輻射以及其他電磁輻射能量的計量學科。輻射度計量測試的主要參數有輻射通量、輻射強度、輻射亮度和輻射照度等。它把光完全看成是一種輻射能量,不包括人的視覺因素。

1.輻射能     
輻射能Q是以輻射形式傳播或接受的能量,單位是焦耳(J)。當輻射能被其他物質吸收時,可以轉變爲其他形式的能力,如熱能、電能等。

2.輻射通量     
輻射通量Φ又稱爲輻射功率P,是以輻射形式發射、傳播或接受的功率,單位爲W,即1W=1J/s。 如果用t表示時間,輻射通量定義可以表示爲

爲了描述源發射的輻射功率在空間上的分佈特性,需要用到輻射強度I或輻射亮度L的概念。輻射強度用於點源,輻射亮度用於擴展源。若點源是各向同性的,其輻射強度在所有方向上都相同。發光源發光部分的尺寸比實際輻射傳輸距離小得多時,可以近似認爲是一個點光源。

4.輻射亮度     
擴展源(平面)光源在垂直輻射傳輸方向上單位表面積、單位立體角內發出的輻射通量。

                  

5.輻射出射度     
離開光源表面單位元ds的輻射通量dΦ。單位爲W/m2。

面源所對應立體角時輻射整個半球空間,dΦ爲面光源表面上 的小面源ds在各方向上(一般爲2Π立體角)所發出的輻射通量。

6.輻射照度     
上述的輻射出射度、輻射強度和輻射亮度都是源輻射特性的度量。然而還需要有一個物體被照射程度的物理量,在輻射學中,這就是輻射照度。     輻射照度E就是被照表面單位面積上接收到的輻射通量。單位爲W/m2。

            

7.光度計量簡介

光度計量是光學計量最基本的部分,在人類得知光是一種輻射以前就開始測光。光度量是限於人眼能夠見到的一部分輻射量,是通過人眼的視覺效果去衡量的,人眼的視覺效果對各種波長是不同的,通常用V表示,定義爲人眼視覺函數或光譜光視效率。由此看來,光度量不是一個純粹的物理量,而是一個與人眼視覺有關的生理、心理物理量。光度計量測試的主要參數有發光強度亮度,照度及光通量等。發光強度的單位爲坎[德拉](cd) ,坎[德拉]是國際單位制中7個基本單位之一 ,它是不可能從其他單位直接導出的。我國計量部門已建起了光強度、光亮度、光照度及光通量計量標準。

8.光強計量的發展

發光強度單位坎德拉是國際單位制中的七個基本單位之一,它是描述光源在某一方向上發出可見光強弱的程度。人類很早就開始了對光的觀測和研究。例如,在比較兩個天體的亮度或照度時,1729年P. 布給發明的目視光度計可將恆星分成若干星等。在照明工程中,早期的光度測量以蠟燭作爲參照標準。1760年,J.H.朗伯首創了光度學的基本體系,成爲光度學的奠基人。1860年,英國率先規定了發光強度的單位,即採用一支蠟燭的發光強度作爲單位量, 英文名稱爲candel,中文譯名爲燭光。1881年, 國際電工技術委員會批准燭光爲發光強度單位的國際標準。人類此時夜間都採用蠟燭照明。確切批准的燭光定義是:1磅鯨腦油製成6支蠟燭, 蠟燭以每小時120格令(約等於7.776g)的速度燃燒時, 在火焰的水平方向的發光強度爲1燭光。

1948年第九屆國際計量大會上決定採用處於鉑凝固點溫度的黑體作爲發光強度的基準,同時定名爲坎德拉,曾一度稱爲新燭光。1967年第十三屆國際計量大會又對坎德拉作了更加嚴密的定義。由於用該定義復現的坎德拉誤差較大,1979年第十六屆國際計量大會決定採用現行的新定義:     坎德拉是一光源在給定方向上的發光強度,該光源發出頻率爲540×1014赫茲的單色輻射,且在此方向上的輻射強度爲1/683瓦特/球面度。

坎[德拉](cd) ,坎[德拉]是國際單位制中7個基本單位之一 ,它是不可能從其他單位直接導出的。 我國計量部門已建起了光強度、光亮度、光照度及光通量計量標準。

9.光和輻射

輻射是以電磁波或光子的形式發射或傳播的一種特殊形態的能量。輻射作用於物質或生物,就會產生各種物理的、化學的或生物的效應。波長在380 nm到780 nm之間的輻射作用於眼睛,就使視覺器官產生“明"“暗”的光感覺。這是輻射的一種生物效應。光感覺的強弱不僅與輻射的功率有關,也與輻射的光譜組成有關。對同一輻射的光感覺還因人而異,並且受到心理活動的影響。因此,這種光感覺是一種複雜的生理一心理一物理過程。 “光"這個詞有時是指引起“光感覺"的物理因素,即作用於視覺器官的可見輻射(或稱可見光),有時是指人體主觀的“光感覺",有時還用於泛指整個光學輻射,在不同場合有不同的含義,這是需要特別注意的。

10.人眼的視覺函數

視覺器官是人體上的重要器官之一。依靠視覺器官對外界刺激產生的反應,形成了明暗、顏色形態、動態、遠近等視知覺,以獲得外部世界的信息,從而作出相應的反應。一個正常人從外界獲取信息的90%以上依賴於視覺。由此可見其重要性。光度學所處理的問題直接與人類的視覺活動相關,是爲人類的視覺活動服務的。人類的視覺器官的生理特性正是光度學考慮問題的出發點,是光度學的重要基礎。人類的視覺器官不僅是隻能感受波長爲380nm到780nm範圍的輻射,而且對不同波長輻射的敏感程度也不一樣,這稱爲人眼的光譜靈敏度。

對光的測量完全是以人的主觀感覺爲基礎。就是說,測量結果僅僅表示刺激視覺器官的輻射所具有的光視效應而不是輻射本身。這兩個方面很容易混淆,在實際工作中應加以區別。

不同人的視覺特性是有差別的。1924 年國際照明委員會(CIE)根據吉普遜等幾組科學家對200多名觀察者測定的結果,推薦了一個標準的明視覺函數,符號爲V(λ)。1933 年國際計量委員會採用CIE公佈的V(λ)值定義了標準光度觀察者,即視覺函數所代表的觀察者稱爲CIE標準觀察者。1951 年CIE又公佈了青年人眼的暗視覺光譜光視效率值,符號爲V'(λ)。(y爲光譜光視效應)

人眼視覺函數

眼睛對強光和弱光的視覺過程是由兩種不同的視細胞來完成的,這兩種感光細胞的光譜響應特性也是不同的,亮適應時起視覺作用的是錐體細胞;暗適應由杆體細胞的作用來完成視覺過程。如果亮度介乎於明視覺與暗視覺所對應的亮度視覺,視網膜中的錐體細胞和杆體細胞同時起作用。明視覺的視場較小,一般規定爲2° ,暗視覺的視場較大,一般大於4°。

11.光度量及其單位

1.光通量     
光通量Φ是根據輻射對標準光度觀察者的作用導出的一個量,它表示輻射作用於人眼時,所產生的“光"效應。對應的輻射度量是輻射通量,即輻射功率。光通量的單位爲流明(lm)。 (瓦數越大不一定越亮,流明是衡量人眼能感知的光能的量,流明值越高也就是可見光的亮度越高。) 絕對黑體在鉑的凝固溫度下,從5.305*10³cm²面積上輻射出來的光通量爲1lm。爲表明光強和光通量的關係,發光強度爲1坎德拉的點光源在單位立體角(1球面度)內發出的光通量爲1流明。

2.發光強度     
點光源在給定方向的發光強度I等於該光源在包含給定方向的立體角元內發出的光通量與立體角元之商。發光強度的單位爲坎德拉(cd)。

3.光亮度     
光源表面上一點處在給定方向的光亮度L是包含該點的面元在給定方向的發光強度與面元在垂直於該方向的平面上的正交投影面積之商。對應的輻射度量是輻射亮度。單位爲cd/m2。

    

光亮度在光輻射的傳輸和測量中具有重要的作用。例如,描述螺旋燈絲白熾燈時,由於描述燈絲每一局部表面(燈絲、燈絲之螺旋燈絲白熾燈時,由於描述燈絲每一局部表面(燈絲、燈絲之間的空隙)的發射特性常常是沒有實在意義的,而把它作爲一個整體,即一個點光源,描述在給定觀測方向上的發光強度;而在描述天空輻射特性時,希望知道其各部分的輻射特性,則用光亮度可描述天空各部分亮度分佈的特性。

4.光出照射度     
表面上一點處的光出射照度M,是投射到包含該點面上的光通量與面元面積之商。對應的輻射度量是輻射出射度(W/m2)。單位爲lm/m2。

5.光照度     
表面上一點處的光照度E是投射到包含該點面元上的光通量與面元面積之商。對應的輻射度量是輻射照度。單位爲勒克斯(lx)。

 

內容主要來源與《光學計量》這本書裏。

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