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光度學和輻射度學

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光度學和輻射度學 - 正文   應用光學的一個分支。光學輻射是指波長為 1納米到1毫米範圍的電磁輻射,它包括真空紫外輻射、紫外輻射、可見輻射和紅外輻射等部分。輻射度學就是對光學輻射進行定量評價的一門實驗科學。光學輻射作用於物體和生物體,會產生各種物理、化學和生物效應,這些效應的度量也屬於輻射度學的內容。可見輻射作用於人眼所引起的「光」感覺,是一種生理效應,它與輻射的組成、強弱及人的視覺器官的生理特性和人的心理活動都有關係;光度學就是根據人類視覺器官的生理特性和某些約定的規範來評價輻射所產生的視覺效應。   光度學和輻射度學與照明工程、天文觀測、光學儀器、光電子學、光譜學、遙感技術、生理光學、醫學和材料科學等領域有著十分密切的關係。

1 光度學和輻射度學 -光度學和輻射度學

 

2 光度學和輻射度學 -正文

  應用光學的一個分支。光學輻射是指波長為 1納米到1毫米範圍的電磁輻射,它包括真空紫外輻射、紫外輻射、可見輻射和紅外輻射等部分。輻射度學就是對光學輻射進行定量評價的一門實驗科學。光學輻射作用於物體和生物體,會產生各種物理、化學和生物效應,這些效應的度量也屬於輻射度學的內容。可見輻射作用於人眼所引起的「光」感覺,是一種生理效應,它與輻射的組成、強弱及人的視覺器官的生理特性和人的心理活動都有關係;光度學就是根據人類視覺器官的生理特性和某些約定的規範來評價輻射所產生的視覺效應。
  光度學和輻射度學與照明工程、天文觀測、光學儀器、光電子學、光譜學、遙感技術、生理光學、醫學和材料科學等領域有著十分密切的關係。
  發展過程  早期,人們根據眼睛感覺的「明、暗」來判斷可見光的「強、弱」。隨著生產的發展和科學技術的進步,特別是天文觀測和人工照明的需要,要求對光作定量的測量。1729年P.布給為比較天體亮度發明了目視光度計,這標誌著光度學的誕生。1760年J.H.朗伯創立了光度學的基本體系,成為光度學的重要奠基人。1860年英國首都的煤氣法案正式規定了發光強度單位燭光的定義及標準光源。1881年國際電工技術委員會批准燭光為國際標準。1909年美、法、英等國決定用一組碳絲白熾燈來保持發光強度單位,取名為「國際燭光」,符號為「ic」,然而,碳絲白熾燈不具有可復現性,不能作為原始標準。1937年國際計量委員會決定用鉑點黑體作為光度原始標準(即光度基準),並規定其亮度為60熙提 (1熙提=1燭光/厘米2)。由此導出的發光強度單位叫坎德拉,符號為「cd」,從1948年1月1日起實行。至此,全世界才有了統一的光度標準。
  由於光度測量依賴於人的視覺器官的生理特性,為了統一評價標準,國際照明委員會 (CIE)在1924年公布了平均相對光譜光視效率值V(λ)(即視見函數)作為在明適應條件下2°視場光度測量的基礎(圖1)。1933年國際計量委員會規定標準光度觀察者的相對光譜靈敏度必須與V(λ)一致。1951年國際照明委員會公布了在暗適應條件下,青年人眼的光譜光視效率值V┡(λ)。明適應是指正常人眼對亮度水平在幾坎德拉每平方米以上的適應狀態,處於明適應條件下的視覺叫明視覺。正常人眼所適應的亮度水平在百分之幾坎德拉每平方米以下的視覺叫暗視覺。處於這兩者之間的視覺叫中間視覺。

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  輻射度學起源於物理學上對物體熱輻射特性的研究。有關絕對黑體輻射特性的研究成果奠定了輻射測量的基礎。隨著光學輻射在工業、農業、軍事和科學研究等方面的應用日益廣泛,輻射測量的重要性也與日俱增。因而輻射測量技術得到很大發展,並逐漸滲透到光度技術中去。使光度技術從以目視法佔統治的狀態,逐漸過渡到使用各種光電和熱電接收器的物理方法,大大改善了測量精度和提高了工作效率。另一方面,在輻射度技術中,也借用了光度學的表達方法來描述輻射源和輻照場的各種輻射度特性,而建立起與光度學相似的理論體系。這兩門學科之間建立了緊密的聯繫。
  鉑點黑體作為光度基準以來,各國光度單位的一致性並沒有像預期的那樣有很大改善。自20世紀60年代以來,絕對輻射計不斷完善,使得輻射的絕對測量不依賴於溫度的測量。它不僅能作為輻射度的原始標準,再配一V(λ)修正濾光片,還可以作為光度的原始標準。為了保持光度單位的連續性和確定光度量和輻射度量之間的關係,根據實驗結果,規定K555=683流明/瓦。意義是:功率為1瓦、波長為555納米的單色輻射對三種視覺都具有683流明的光通量。據此,1979年第16屆國際計量大會重新定義坎德拉:坎德拉是發出頻率為540×1012赫茲輻射的光源在給定方向的發光強度,此光源在該方向的輻射強度為1/683瓦每球面度。至此,光度技術就完全建立在輻射度基礎之上。
  基本概念  在光度學和輻射度學中,測量對象都是光學輻射,僅僅是所依據的評價標準不同。常用的光度量和輻射度量如表1所示。

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  對於具有連續光譜的輻射,某種輻射度量Xe(如輻射強度、輻射亮度等)的光譜密集度定義為:在包含給定波長λ的無限小波長間隔內,相應的輻射度量與該波長間隔之商,光度學和輻射度學。輻射度量的光譜密集度與波長的函數關係叫做該輻射度量的光譜分佈。對於光度量也可給出類似的定義。光度量和輻射度量之間的關係可以表示為:

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式中XvX'v分別為與Xe相對應的明視覺光度量和暗視覺光度量,Km=683流明/瓦,K'm≈1700流明/瓦,分別為明視覺和暗視覺的最大光譜光視效能。
  為了表述複合輻射的光譜組成或顏色特性,根據絕對黑體的輻射特性引入了分佈溫度和顏色溫度兩個概念。
  光源與某一溫度的絕對黑體在可見區有相同的或近似相同的相對光譜功率分佈時,黑體的溫度就是光源的分佈溫度。光源與某一溫度的絕對黑體發出的光具有相同的色品時,黑體的溫度就是光源的色溫度。氣體放電燈發光的色品坐標在色品圖上與黑體軌跡有一定偏離,則取其最接近的軌跡上的點所對應的黑體溫度為該光源的相關色溫。
  基本原理  光度學和輻射度學的研究對象主要是非相干光學輻射,並且認為輻射的傳播服從幾何光學定律。
  距離平方反比法則和照度的餘弦法則:點輻射(光)源在處於某方向的面元上建立的照度與點源朝該方向的輻射(發光)強度I成正比,與點源和面元之間距離d的平方成反比,與面元法線和入射光線夾角θ的餘弦成正比(圖2),光度學和輻射度學

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  實際上,輻射(光)源總是有一定大小的,只有當觀測距離比輻射源本射的線度大10倍時,才能夠應用距離平方反比法則,使誤差小於1%,否則必須引入適當的修正。
  疊加原理:若干輻射(光)源在一面元上建立的照度等於各輻射(光)源單獨建立的照度之和。
  均勻漫射面及其特性:均勻漫射面(包括漫反射、漫透射及自身發光的漫射面)在任何方向都具有相等的亮度,因而在與面的法線成θ角的方向上的輻射強度或發光強度光度學和輻射度學I0為漫射面在法線方向的輻射強度或發光強度。
  光度學和輻射度學中的各種數學關係,均可根據上述基本原理及有關定義推導出來。
  輻射度標準與輻射測量  輻射度的原始標準有兩種類型:標準輻射源和絕對輻射計。前者主要是工作在不同溫度下的黑體爐。根據斯忒藩-玻耳茲曼定律,黑體的輻射亮度光度學和輻射度學,叫斯忒藩-玻耳茲曼常數,T為黑體的絕對溫度。因此只要測得T,就能算得Le。對於實際的人工黑體,還必須根據黑體的腔型、尺寸和所用材料的發射率確定黑體的發射率 (即黑度係數)ε,εLe才為人工黑體的輻射亮度。在黑體前面加光闌即可作為標定輻射計的標準。輻射計入射光闌面上的輻射照度為

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g為幾何因子,由dr1r2確定(圖3)。

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  根據普朗克定律,可以算出黑體輻射亮度的光譜密集度光度學和輻射度學с1和с2分別是第一和第二普朗克輻射常數。因而黑體可作為光譜輻射亮度標準,通過光譜測量系統標定標準燈的光譜輻射亮度作為次級標準(圖4)。為了消除光路不對稱的影響,必須使用比較燈。
  在黑體前面適當位置加一開口面積已知的光闌,就可計算一定距離處的漫射板上輻射照度的光譜密集度值。通過光譜測量系統,可以作為光譜輻射照度標準標定光譜輻射照度標準燈在漫射板上產生的輻射照度的光譜密集度值,作為次級標準(圖5)。在這種測量光路中,不用任何成像系統;而在光譜輻射亮度的測量光路中,必須使用成像系統,這是兩者不同之處。
  一定溫度的黑體僅在有限的波長範圍才能發出足夠強的輻射。因此,為要建立不同波長範圍的積分輻射度標準和光譜輻射度標準,就需要有不同溫度的黑體爐。在目前技術條件下,由高溫黑體爐所建立的光譜輻射度標準在短波方向只能達到250納米。近十幾年來,發展了同步加速器輻射技術,可以作為從軟X 射線、真空紫外輻射、紫外輻射、可見輻射、一直到近紅外輻射的原始標準。
  各種電校準絕對輻射計能測量輻射束的功率值,也是一種重要的輻射度原始標準。其基本原理如圖6所示,接收面吸收入射輻射,並把它轉化成熱能,使吸收體溫度升高而引起某種物理效應(如溫差電動勢)。然後遮斷輻射,向附著在吸收體上的加熱絲通電流,使吸收體受熱升溫引起同等的物理效應。於是,電加熱所消耗的功率就接近接收器吸收的輻射功率。通過反射損失和光、電加熱不等效修正,就可求得入射輻射束的功率值。若接收器入射光闌孔的面積已知,就可作為輻射照度標準,標定輻射源的輻射強度或輻射亮度,並通過已經定標的輻射源來標定其他類型的輻射計。

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  上述兩種類型的原始標準各有其一定的適應範圍,在實際工作中,兩者互為補充。
  輻射測量可分為相對測量和絕對測量兩類。前者測量兩同名輻射度量之間的比值,因此測量系統不用定標,但必須有良好的線性。在某些情況下,如測量選擇性光學材料的積分反射比或透射比,還要求測量系統的接收器在所考慮的波長範圍內是中性的。絕對測量要求測量輻射量的量值,因此測量系統必須由輻射度標準定標。
  光度標準與光度測量  根據坎德拉的新定義,可以通過多種途徑來複現光度基準。目前技術上最成熟的方法是在絕對輻射計前加Vλ)濾光器,使它具有標準光度觀察者的光譜響應特性(圖7)。由公式光度學和輻射度學即可得到光源在輻射計入射光闌面上建立的光照度值Ev。式中光度學和輻射度學,是經過V(λ)濾光器後為輻射計實際測得的輻射照度,τm是濾光器在波長555納米處的透射比。

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  由一組輻射計-V(λ) 濾光器系統組成光度基準,用以標定一組色溫度為2856K 的標準燈的發光強度值,作為次級標準,即發光強度副基準,且作保持發光強度單位──坎德拉。
  在實際工作中,往往需要測量光源發出的總光通量,因此要求建立相應的計量標準。用分佈光度計,根據發光強度副基準測量一組總光通量標準燈發光強度的空間分佈,由此計算得標準燈發出的總光通量,作為用相對法(如用球形光度計)測量光源總光通量的最高標準,叫作總光通量副基準。副基準標定相應的工作基準,工作基準將副基準所保持的單位量值傳遞給各級標準,供實際工作中使用。
  發光強度標準燈同時也是光照度標準燈。它在一定距離處的面上所建立的光照度可以根據距離平方反比法則計算得出,用來標定光照度計。
  當光照射均勻漫反射面時,若漫反射面的反射比為ρ,面上的照度為E,則它的亮度為L=ρE/π。因此可用發光強度標準燈照射已知漫反射比的標準漫反射板來標定亮度計(圖8)。

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  光度測量方法分目視法和客觀法。目視法是人眼直接參与測量過程。人眼對相鄰兩表面的亮度是否相等有敏銳的判斷能力,而要判斷它們的亮度在數量上的差別則是非常困難的。因而一切目視光度測量都歸結為對兩個面的亮度進行比較和使之平衡。各種目視光度計就是根據這一特點設計的。其中最為完善的是陸末-布洛洪光度計(圖9)。它的中心部分是兩塊45°直角稜鏡光膠構成的。其中一塊的斜面上刻蝕成圖9右面所示的花樣。被比較的兩個光源分別照射漫射面S1S2,視場中就能看到圖右所示花樣,斜線部分和其他部分分別由S1S2照明,這樣就將兩個被比較的面並列在一起而便於比較它們的亮度。改變光源到漫射面的距離使它們的亮度相等,就可以根據平方反比法則來比較兩光源的發光強度了。
  現在,目視法多用於作人眼的視覺試驗,而光度測量則用客觀法,或稱物理接收器法。客觀法所用接收器必須帶有V(λ) 修正濾光器(圖10),它的響應與所接收的光通量或照度直接相關。因而一切使用客觀法的光度測量都歸結為光通量或照度的測量。
  光度測量與輻射度測量一樣,受著多種因素的影響和干擾,難於得到高的精度。其中值得重視的是V(λ) 修正的完善程度。
  應用  光度學和輻射度學的應用可以歸納為三個方面。
  ① 光源的光度和輻射度特性的測量。用作人工照明的光源,需要測量其各種光度特性,如總光通量、發光強度的空間分佈、發光體的亮度等,作為生產廠控制產品質量和照明工程設計的依據。現代光源已遠遠超出了傳統上用作照明的範圍,而越來越廣泛地用於各種工農業生產過程、醫療保健、科學研究、空間技術等方面;而現代照明也不單純是提供一定數量的可見光,還要求具有一定的顯色特性,並提供或限制某些紅外和紫外輻射,因而還要求測量光源的各種輻射度特性,如總的輻射功率、輻射的光譜組成、輻射強度的空間分佈、輻射亮度等。根據光譜組成計算其色度特性和顯色指數作為評價光源品質、適用範圍和實際應用的依據。對光照場和輻照場的光照度、輻射照度和光亮度的分佈的測量,也是實際工作中廣泛應用的一個方面。
  ② 材料和媒質的光度和輻射度特性的測量在光學工業、照明工程、遙感技術、色度學和大氣光學等領域有重要的應用。各種材料、樣板及若干種工農業產品,需要測定它們在各種幾何條件下的積分的和光譜的反射比或透射比。在各種條件下大氣對光學輻射的傳輸特性的測量。這些都必須利用光度和輻射度技術。
  ③ 各種光學輻射探測器如太陽能電池、硅光電二極體、光電管、光電倍增管、熱電偶、熱電堆以及各種光敏和熱敏元件,廣泛用於光學輻射的探測、測量儀器、控制系統和換能裝置等方面。也需要用光度和輻射度技術測定它們的積分靈敏度、光譜靈敏度及響應的線性等特性,為合理的有效的使用提供依據。
  參考書目
 薛君敖等編著:《光輻射測量原理和方法》,計量出版社,北京,1981。

 

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