一、光度學簡介

光測量學（photometry）是關于人眼對光的視覺響應的科學。

由于人眼是一高度復雜的器官，這無疑是一個非常困難的工作。它涉及到多個學科的交叉，心理學、生理學和物理學等。

光度測量學成為現當代科學是在1924年，當CIE(國際照明委員會)組織會議定義人眼對光平均響應值。該委員會抽樣測試了大量人群，將得到的數據繪制成明視（photopic）曲線。簡單地說，該曲線表明人眼對綠光反應最敏感，對紫光和紅光則反應較弱。

在暗視場情況下，人眼有完全不同的響應值，在此情況下，人眼很難辨別顏色。于是，又進行了一系列測試，繪制出了暗視（scotopic）曲線暗視視見函數。

有了人眼的光譜響應曲線，CIE選擇標準光源作為光強量測的標準。第一個標準光源是一種特殊的蠟燭，由此得出footcandle和candlepower的名詞定義。為了最大可能的提高重復性，1948年，用一定量的鉑熔化發出的光對標準光進行了重新的定義。

二、基本概念

光度學的基本單位是流明（lumen）,是一個與輻射度（radiometric）中的Watt相關的概念,關系如下：

1lm=683·W·V(λ),這里的V(λ)-相對發光度，是與視覺響應函數成比例的一個系數，把人眼在555nm(最靈敏波長)的峰值規定為1.

兩個重要的光度學定理：

1. 平方反比定理:定義了光源在產生的照度（illumination）與光源到照射面距離之間的關系， 即，照度值與該光源到照射面之間的距離的平方成反比。因此，理想的照度測量必須要能精確控制距離的大小，如果某光源在某一距離的照度值已知，除非其他條件影響，任何距離的照度都可以經計算獲得
2. 余弦定理：一定面積上的光強，因入射角的不同而不同，這是因為實際投影面積隨入射角的增大而相應的成比例減少，這種變化正好是一種余弦關系（入射角度），也就是照射面積的投影。這樣，在環境照明測試時，探頭需要進行余弦修正來計算實際值。否則，就會產生相當大的誤差。

光度量測的主要挑戰是如何再現人眼對光譜的響應。光電二極管的響應特征和CIE標準觀察者沒有相似性。因此，光學探頭必須能按光譜修正正數據。通常有兩個方法達到該目的，

1. 光譜輻射度法：通過測試不同波長下的光譜輻射度值，然后根據明視函數，進行計算得到。
2. 濾光片匹配法：通過使用特殊工藝的濾光片，將探測器+濾光片的光譜響應與人眼的明視函數盡可能匹配是。

光譜輻射度法是用單色儀或陣列探測器來完成測試，在任何一種方法里，光源的強度被逐波長的測試，測得的數據根據明視視見函數進行計算，得到測量結果。由上可見，這些技術需要微處理器。掃描方法精確度高，但是價格昂貴，操作復雜。

光學濾光片法提供了一個簡單、經濟的解決方案。因為只有一個光電信號需要處理，一個單通道的信號處理器即可。近來濾光片設計技術的改進，以及固體探測器技術的提升，使得該技術在光度量測上的精確性可以勝任許多場合的測試需求。

濾光片匹配技術是在探測器前加一彩色濾光玻璃（colored-glass filter）,不同玻璃可以對不同波長進行選擇性衰減，直到符合CIE明視函數曲線。平面啞光的Si光電二極管，在可見光譜范圍內具有良好的線性響應和極高的靈敏度，因此是理想的光探測器。使用Si探測器，再加上先進的濾光片設計，可以非常接近CIE的明視函數曲線。

表示光度量測探頭性能的一個非常重要的參數就是f1′,這是由CIE協會定義的一個數值，由光度探測器的響應與CIE曲線的標準偏差決定。最高精度---實驗室級精度的探測器的f1′<1.5%，一般的應用要求f1′<3%。

特別注意的是，一個給定的探測器與濾光片之間的匹配是非常精密的，一旦匹配完成之后，就不能與其他的探測器/濾光片的配對互換。每一個探測器都有一個獨特的響應特征，需要與特定厚度和層數的濾光片結合。

探測器的響應特性確定了以后，就要用標準轉移技術來進行校正。這需要一個標準測器（或已知強度的標準光源），可以從國家計量機構那里獲得。將探測器/濾光片的配對定位于一個光源前，光源要求能夠輸出連續波長和強度，一般用鹵鎢燈，也就是A光源。這樣，對被校正探測器的輸出電信號與標準探測器的信號進行對比，就可以確定校正系數，再配置一個精密的增益控制放大器和數據讀出系統，就可以進行光度值測量了。

三、重要術語

光度量及單位

光通量/luminous flux

光通量的單位是流明（lumen）,是光度量的基本單位，光通量是對所有可見光源輸出總量的測量。因此，光通量的測量要求能夠將所有的光能量集中到光探測器上，對于發散光源，如LED、燈源等，光通量的測量就比較困難，這時就要用積分球來測量。

光照度/illuminance

光照度是指單位面積所接受的可見光的量 。在英制單位里，1平方英尺的面積上接受到1個流明的光通量，定義為1 footcandel。公制單位中，每平方米1個流明為1勒克斯（lux）,10.76lux=1 footcandle.

當然，探頭不可能有這么大的面積，所以，探頭的面積要相應的乘以一定的倍數。由于探頭的面積不再由被照射的面積決定，因此當測量值超過探頭的測量范圍或在矯正光學的后面時，就要特別注意。

例如，光照度測量時，經常由于光線偏離垂直光軸而造成測試錯誤。這時，探頭就要配一個余弦修正器。由于余弦接受器仍然要投影到探頭上，因此，余弦接受器的面積并不是探頭的面積，只是代表測試面積。

如果沒有外部的余弦校正器，光照度的測量面積是取決于探測器本身的。

光出射度（luminous exitance）

光出射度是表征光源自身性質的一個物理量。光源的光通量除以光源的面積就得到光源的光出射度值。光出射度用lumen/㎡表示，但與光照度測試和光通量測試不同，光出射度中的面積是指光源的面積，而不是被照射的面積。通常會在平板燈具中測量光出射度。

光出射度的測量是通過測量光通量和分割出的光源面積。

光強（luminous intensity）

光強也是表征光源的性質的物理量，不僅僅包含直射光，散射光也包含。用均勻發射到球面角的光通量來表示光強的大小。光強的基本單位是坎德拉（candela）,相當于1流明/球面度（lumen/steradian）。

光強的定義有兩點需要說明，一、該測量不適用于平行光源；二、對非均勻發射源，光強是不確定的。要計算光強值，必須知道探頭的面積（或由探頭前面的光圈決定的面積）和測量的距離，這樣就可以計算出立體角，用光通量的數值除以立體角，就得到光強值。

通過測量經過立體角的光通量來得到光強。

光亮度（luminance）

眾所周知的亮度（brightness）,光亮度（luminance）是對相對平坦、均勻的平面反射或發射的光的測量。測量時要考慮到測試的表面積和觀測者的視角。

光亮度可以看作是每單位面積的光強，所以在光量度單位中用candela/㎡（cd/㎡）表示，但是許多其他的定義也應用到該測量中，一些單位是用來測圓形面積，而不僅僅用于方形面積（見光度量單位表）。

要測量亮度，必須嚴格規定探頭的視場和計算角度，通常要用到透鏡和擋板（baffle）。實際上，人眼就相當于一個光亮度計。

注意，只要探頭的視場被充滿，測量結果和測試距離無關。這是因為，視場大小尺寸和光源的強度與距離成正比函數關系。

通過固定探測器的視場使光從透鏡中射出來測量光亮度。

光度量（luminance energy）

光度量是指放出的光通量，用流明·秒表示。多用于閃光源或脈沖光源。

基于時間的任何光度量都是可以測量的，如可對閃光燈在某一方向上的光照度對時間進行積分，得到footcandle·秒。

四、如何建立光度測試系統

建立一個光量測系統需要三步。

1. 首先，對光源進行評估，決定用何種方法進行測試；
2. 然后，選擇合適的探測器及光學系統（探頭）；
3. 最后，為探頭配置特定的電子設備，提供更有效的用戶操作界面。

評估光源

探測器對量測的正確與否有著非常重要的作用，畢竟光度量測與人眼對光的響應緊密相關，因此，首要的問題是，人眼是如何對被測的光源進行響應的。

比方說，測量周圍環境的照明情況，是想知道，人眼在某一范圍上是否可以看清文字或物體，關心的并不是光源的功率，而是在該塊面積被照亮的程度如何。由此可見，無論是室外，還是辦公室、工廠，要測的光度量是照度。

但是，如果在同樣的房間或空間，希望知道墻、紡織物或印刷品的亮度，需測的參數就要改變了，因為此時人們所關心的是反射到人眼的光的量。由于這些表面是散射光，相對均勻，最好是測亮度。

電子顯示，如CRT、電子顯示面板等，發出的光直接進入人眼，由于文字字符和線條細節太小，所以測試系統的視場（F.O.V.）必須進行限定，使得只有被照亮的部分可以測到。這樣，根據定義，要測的量就是光亮度（luminance）,因此顯示屏的亮度經常用footlambert來表示。

燈源的應用很多，很難用一個光度量來表示。如前所提到的，用于空間照明（如，房間、街道體育場）的燈源或燈源系統，主要是照度測試。但是，在汽車的外部照明應用中，前燈要測試照度、尾燈則要測試亮度。市場上的許多LED光源、透鏡光源，由于是發散光，肯定要測發光強度。白熾燈和熒光燈生產廠用光通量（或等量的輻射值Watt）來檢驗產品,這是因為，它們都是固定在某一位置，散射光，必須測量它的所有發射光。

激光和發光二極管也需要類似的測試。在科學應用上，一般測試輻射參數，但是，當研究它們對人眼的潛在傷害時，往往要測試光通量。透鏡LED雖然是直射光源，但存在發散角，發光強度（光強）可以很好地表征該性質。對于表面或邊發射的LED,很顯然，發射光是與表面積相關的函數關系，這時，就要測光出射度。

光量測試用于周期性的光源，脈沖LED、攝影用的閃光單元、閃光燈、弧光燈系統、旋轉或掃描燈，光通量都是隨時間變化的光源。

選擇正確的探頭

測量類型決定你選擇什么探頭組合。大部分情況先，光度學研究的是可見光波段，因此多使用硅光電二極管+光度學濾光片。對于光通量測量，這些測量都是入射光被準直或者聚焦到檢測器上了，這些簡單的探頭就夠用了。如果是LED光源，尤其是單色窄帶寬的LED光源，則需要依據CIE相關標準，使用光譜儀作為量測探頭，并且帶寬小于5nm。

面陣探測器也逐漸成為光測量的高效測量工具，具體參考LMK系列產品。

在一些情況下，探測器可能會過飽和，其輸出就會呈現非線性。在這種情況下，需要對光進行衰減。中性密度濾光片（ND Filter）、更小的狹縫或光闌，以及積分球都可以達到衰減效果。正確的選擇取決于所需的衰減倍數，既可以避免探測器飽和，但不至于失去靈敏度和動態范圍。

照度測量：

如果被測光是垂直入射，那么簡單的探測器+濾光片組合就可以有效的測試光照度，但是很多情況下，環境光產生的照度來自不同方向光源的影響，就需要一個余弦修正器老保證測試結果可以對不同方向的光進行余弦修正，減少方向性對測試結果的影響。

光通量測量：

積分球是被燈具行業廣泛使用的測量裝置，從燈具制造商到小型光源、LED等生產、質量管理。光源可以直接放入球體的中心（4π法），或放置與球壁位置，以確保所有的光線都被收集起來用于測量。

亮度測量：

亮度測量需要預先確定好測試探頭的視場（FOV）。被測源在測量端平面上的面積，以及到被測物的距離，決定了視場的大小。對于面積大、測試距離短的區域，采用一個簡單的擋板或光闌就可以滿足亮度測試要求。但是如果是測試細小的物體，比如飛機或汽車座艙里面儀表上的字符亮度，需要使用鏡頭系統來進行遠距離測量。

選擇電子設備匹配應用程序

常用光電測量頭中的光傳感器是硅光電二極管。雖然傳感器的尺寸可能有所不同，但在大部分情況下，輸出都是較弱的電流信號。這個信號需要跨阻放大器轉換成電壓，然后使用特定程序的將電壓值轉換測試的光度學值。

選用合適的電子裝置，要考慮以下幾個因素:

1. 是否有便攜性要求?
2. 是否需要通過電腦來使用?
3. 是否需要通過顯示屏來顯示測試值，還是輸出模擬信號就足夠了?
4. 是否需要空間分布特性測量? （多通道測量或成像式測量）