一、光度学简介

光测量学（photometry）是关于人眼对光的视觉响应的科学。

由于人眼是一高度复杂的器官，这无疑是一个非常困难的工作。它涉及到多个学科的交叉，心理学、生理学和物理学等。

光度测量学成为现当代科学是在1924年，当CIE(国际照明委员会)组织会议定义人眼对光平均响应值。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。简单地说，该曲线表明人眼对绿光反应最敏感，对紫光和红光则反应较弱。

在暗视场情况下，人眼有完全不同的响应值，在此情况下，人眼很难辨别颜色。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选择标准光源作为光强量测的标准。第一个标准光源是一种特殊的蜡烛，由此得出footcandle和candlepower的名词定义。为了最大可能的提高重复性，1948年，用一定量的铂熔化发出的光对标准光进行了重新的定义。

二、基本概念

光度学的基本单位是流明（lumen）,是一个与辐射度（radiometric）中的Watt相关的概念,关系如下：

1lm=683·W·V(λ),这里的V(λ)-相对发光度，是与视觉响应函数成比例的一个系数，把人眼在555nm(最灵敏波长)的峰值规定为1.

两个重要的光度学定理：

1. 平方反比定理:定义了光源在产生的照度（illumination）与光源到照射面距离之间的关系， 即，照度值与该光源到照射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，因入射角的不同而不同，这是因为实际投影面积随入射角的增大而相应的成比例减少，这种变化正好是一种余弦关系（入射角度），也就是照射面积的投影。这样，在环境照明测试时，探头需要进行余弦修正来计算实际值。否则，就会产生相当大的误差。

光度量测的主要挑战是如何再现人眼对光谱的响应。光电二极管的响应特征和CIE标准观察者没有相似性。因此，光学探头必须能按光谱修正正数据。通常有两个方法达到该目的，

1. 光谱辐射度法：通过测试不同波长下的光谱辐射度值，然后根据明视函数，进行计算得到。
2. 滤光片匹配法：通过使用特殊工艺的滤光片，将探测器+滤光片的光谱响应与人眼的明视函数尽可能匹配是。

光谱辐射度法是用单色仪或阵列探测器来完成测试，在任何一种方法里，光源的强度被逐波长的测试，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，这些技术需要微处理器。扫描方法精确度高，但是价格昂贵，操作复杂。

光学滤光片法提供了一个简单、经济的解决方案。因为只有一个光电信号需要处理，一个单通道的信号处理器即可。近来滤光片设计技术的改进，以及固体探测器技术的提升，使得该技术在光度量测上的精确性可以胜任许多场合的测试需求。

滤光片匹配技术是在探测器前加一彩色滤光玻璃（colored-glass filter）,不同玻璃可以对不同波长进行选择性衰减，直到符合CIE明视函数曲线。平面哑光的Si光电二极管，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，可以非常接近CIE的明视函数曲线。

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，由光度探测器的响应与CIE曲线的标准偏差决定。最高精度---实验室级精度的探测器的f1′<1.5%，一般的应用要求f1′<3%。

特别注意的是，一个给定的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。

探测器的响应特性确定了以后，就要用标准转移技术来进行校正。这需要一个标准测器（或已知强度的标准光源），可以从国家计量机构那里获得。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，一般用卤钨灯，也就是A光源。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，就可以确定校正系数，再配置一个精密的增益控制放大器和数据读出系统，就可以进行光度值测量了。

三、重要术语

光度量及单位

光通量/luminous flux

光通量的单位是流明（lumen）,是光度量的基本单位，光通量是对所有可见光源输出总量的测量。因此，光通量的测量要求能够将所有的光能量集中到光探测器上，对于发散光源，如LED、灯源等，光通量的测量就比较困难，这时就要用积分球来测量。

光照度/illuminance

光照度是指单位面积所接受的可见光的量 。在英制单位里，1平方英尺的面积上接受到1个流明的光通量，定义为1 footcandel。公制单位中，每平方米1个流明为1勒克斯（lux）,10.76lux=1 footcandle.

当然，探头不可能有这么大的面积，所以，探头的面积要相应的乘以一定的倍数。由于探头的面积不再由被照射的面积决定，因此当测量值超过探头的测量范围或在矫正光学的后面时，就要特别注意。

例如，光照度测量时，经常由于光线偏离垂直光轴而造成测试错误。这时，探头就要配一个余弦修正器。由于余弦接受器仍然要投影到探头上，因此，余弦接受器的面积并不是探头的面积，只是代表测试面积。

如果没有外部的余弦校正器，光照度的测量面积是取决于探测器本身的。

光出射度（luminous exitance）

光出射度是表征光源自身性质的一个物理量。光源的光通量除以光源的面积就得到光源的光出射度值。光出射度用lumen/㎡表示，但与光照度测试和光通量测试不同，光出射度中的面积是指光源的面积，而不是被照射的面积。通常会在平板灯具中测量光出射度。

光出射度的测量是通过测量光通量和分割出的光源面积。

光强（luminous intensity）

光强也是表征光源的性质的物理量，不仅仅包含直射光，散射光也包含。用均匀发射到球面角的光通量来表示光强的大小。光强的基本单位是坎德拉（candela）,相当于1流明/球面度（lumen/steradian）。

光强的定义有两点需要说明，一、该测量不适用于平行光源；二、对非均匀发射源，光强是不确定的。要计算光强值，必须知道探头的面积（或由探头前面的光圈决定的面积）和测量的距离，这样就可以计算出立体角，用光通量的数值除以立体角，就得到光强值。

通过测量经过立体角的光通量来得到光强。

光亮度（luminance）

众所周知的亮度（brightness）,光亮度（luminance）是对相对平坦、均匀的平面反射或发射的光的测量。测量时要考虑到测试的表面积和观测者的视角。

光亮度可以看作是每单位面积的光强，所以在光量度单位中用candela/㎡（cd/㎡）表示，但是许多其他的定义也应用到该测量中，一些单位是用来测圆形面积，而不仅仅用于方形面积（见光度量单位表）。

要测量亮度，必须严格规定探头的视场和计算角度，通常要用到透镜和挡板（baffle）。实际上，人眼就相当于一个光亮度计。

注意，只要探头的视场被充满，测量结果和测试距离无关。这是因为，视场大小尺寸和光源的强度与距离成正比函数关系。

通过固定探测器的视场使光从透镜中射出来测量光亮度。

光度量（luminance energy）

光度量是指放出的光通量，用流明·秒表示。多用于闪光源或脉冲光源。

基于时间的任何光度量都是可以测量的，如可对闪光灯在某一方向上的光照度对时间进行积分，得到footcandle·秒。

四、如何建立光度测试系统

建立一个光量测系统需要三步。

1. 首先，对光源进行评估，决定用何种方法进行测试；
2. 然后，选择合适的探测器及光学系统（探头）；
3. 最后，为探头配置特定的电子设备，提供更有效的用户操作界面。

评估光源

探测器对量测的正确与否有着非常重要的作用，毕竟光度量测与人眼对光的响应紧密相关，因此，首要的问题是，人眼是如何对被测的光源进行响应的。

比方说，测量周围环境的照明情况，是想知道，人眼在某一范围上是否可以看清文字或物体，关心的并不是光源的功率，而是在该块面积被照亮的程度如何。由此可见，无论是室外，还是办公室、工厂，要测的光度量是照度。

但是，如果在同样的房间或空间，希望知道墙、纺织物或印刷品的亮度，需测的参数就要改变了，因为此时人们所关心的是反射到人眼的光的量。由于这些表面是散射光，相对均匀，最好是测亮度。

电子显示，如CRT、电子显示面板等，发出的光直接进入人眼，由于文字字符和线条细节太小，所以测试系统的视场（F.O.V.）必须进行限定，使得只有被照亮的部分可以测到。这样，根据定义，要测的量就是光亮度（luminance）,因此显示屏的亮度经常用footlambert来表示。

灯源的应用很多，很难用一个光度量来表示。如前所提到的，用于空间照明（如，房间、街道体育场）的灯源或灯源系统，主要是照度测试。但是，在汽车的外部照明应用中，前灯要测试照度、尾灯则要测试亮度。市场上的许多LED光源、透镜光源，由于是发散光，肯定要测发光强度。白炽灯和荧光灯生产厂用光通量（或等量的辐射值Watt）来检验产品,这是因为，它们都是固定在某一位置，散射光，必须测量它的所有发射光。

激光和发光二极管也需要类似的测试。在科学应用上，一般测试辐射参数，但是，当研究它们对人眼的潜在伤害时，往往要测试光通量。透镜LED虽然是直射光源，但存在发散角，发光强度（光强）可以很好地表征该性质。对于表面或边发射的LED,很显然，发射光是与表面积相关的函数关系，这时，就要测光出射度。

光量测试用于周期性的光源，脉冲LED、摄影用的闪光单元、闪光灯、弧光灯系统、旋转或扫描灯，光通量都是随时间变化的光源。

选择正确的探头

测量类型决定你选择什么探头组合。大部分情况先，光度学研究的是可见光波段，因此多使用硅光电二极管+光度学滤光片。对于光通量测量，这些测量都是入射光被准直或者聚焦到检测器上了，这些简单的探头就够用了。如果是LED光源，尤其是单色窄带宽的LED光源，则需要依据CIE相关标准，使用光谱仪作为量测探头，并且带宽小于5nm。

面阵探测器也逐渐成为光测量的高效测量工具，具体参考LMK系列产品。

在一些情况下，探测器可能会过饱和，其输出就会呈现非线性。在这种情况下，需要对光进行衰减。中性密度滤光片（ND Filter）、更小的狭缝或光阑，以及积分球都可以达到衰减效果。正确的选择取决于所需的衰减倍数，既可以避免探测器饱和，但不至于失去灵敏度和动态范围。

照度测量：

如果被测光是垂直入射，那么简单的探测器+滤光片组合就可以有效的测试光照度，但是很多情况下，环境光产生的照度来自不同方向光源的影响，就需要一个余弦修正器老保证测试结果可以对不同方向的光进行余弦修正，减少方向性对测试结果的影响。

光通量测量：

积分球是被灯具行业广泛使用的测量装置，从灯具制造商到小型光源、LED等生产、质量管理。光源可以直接放入球体的中心（4π法），或放置与球壁位置，以确保所有的光线都被收集起来用于测量。

亮度测量：

亮度测量需要预先确定好测试探头的视场（FOV）。被测源在测量端平面上的面积，以及到被测物的距离，决定了视场的大小。对于面积大、测试距离短的区域，采用一个简单的挡板或光阑就可以满足亮度测试要求。但是如果是测试细小的物体，比如飞机或汽车座舱里面仪表上的字符亮度，需要使用镜头系统来进行远距离测量。

选择电子设备匹配应用程序

常用光电测量头中的光传感器是硅光电二极管。虽然传感器的尺寸可能有所不同，但在大部分情况下，输出都是较弱的电流信号。这个信号需要跨阻放大器转换成电压，然后使用特定程序的将电压值转换测试的光度学值。

选用合适的电子装置，要考虑以下几个因素:

1. 是否有便携性要求?
2. 是否需要通过电脑来使用?
3. 是否需要通过显示屏来显示测试值，还是输出模拟信号就足够了?
4. 是否需要空间分布特性测量? （多通道测量或成像式测量）