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EA,在M处 的照度为EMA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EM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ΦS,EρS可测得,在待 测光源的EρX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↑→sAB↑、sCD↑→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:
is、ix 分别为标灯和待测灯的电流可测出,Φs 标灯的光通量已知,由上式便可得到待测灯的光通 量Φx,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is 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Φx=(is/ix)·Φs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) =is/ix 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:
Ei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θi-1和θi处的照度Ei-1和Ei,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EiSi故总的光通量为:
Ei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 E2 E3 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 |
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