双十科技关于光通量测量
1.基木仪器
    理想积分球及光通量标准灯积分球是光学度量的主要设备，其主要功能是光
的收集，被收集的光可以用做漫反射或被测辐射源。图4.17所示是一个积分球及其
内部图。
    一个理想积分球的内表面应当是一个完整的儿何球面，半径处处相等:球内
壁是中性均匀漫射面，对各种波一长的入射光线具有相同的漫反射比;球内没有任
何物体，这样，光源也看做只发光而没有实物的抽象光源，可以用立体角进行计
算。积分球(光通球或球形光度计)的内部空的完整球壳的内壁涂自色的漫射
层:球直径按待测辐射源或光源尺寸和功率大小而定，一般直径D有lm, 2m.
3m等:球壁上开一小窗日，其直径d与辐射源的尺寸r成比例，所对应的立体角为
dL2;球上开一个小门，或打开个口方便装取辐射源和附件，如接线架、灯头、挡
光板等。如图4.18 (a)，(U)，(c)所示，分别是积分球测量系统、积分球结
构和内部光路。积分球的基木原理是光通过采样口进入积分球，经过多次反射后
非常均匀地散射在积分球内部。探测光纤通过SMA接头与积分球侧面的接口相
连，该接口前而有一个阻光通道，光纤只能通过阻光通道进行探测，从而避免了
采样口的光直接进入光纤。辐射型积分球可以用来测量各种光源(如激光器、
LED和卤钨灯等)的辐射量。反射型积分球可以用来测量某表面的总体反射率，
也可用于测量颜色。
    球体应尽量减少球内部件的件数并减小部件的体积:应采用不易变形以及不
易受环境影响的材料制成:球内表面应光滑，力求各处曲率半径相同:球的密闭
性要好;为减小测量误差，灯应安装在球心:灯的支架应采用细金属管，里边装
电线。挡光板的放置应使其中心在球心与窗日的中心连线上，离球心1/3处。设光
源最大尺寸为2b，窗日直径为2a，挡光板半径为d，如图4.19所示。
    由于b增加，弓}起df曾加，进而使SAB和SCD增加，导致测量误差增加。因此要
求灯的最人尺寸不超过球体直径的1/6-1/lo.
    工作原理可说明如下:设光源S直接在球内任一点建立照度凡，在M处的照度
为Ell，在A处ds发生第一次漫射，出度为
    上式中r, p均为常数，球壁上任何位置的E与光源S的总光通量吸急成正比，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吸急。
    标准光源的光通量己知Os, EPs可测得，在待测光源的EPX测得后，即可用相
对比较法测得待测光源的吸急。这就是球形光度计测量光源总光通量的原理。
    所使用光通量标准幻一应有一定的强度和光谱能量分布:发光稳定，具有很好
的重复性;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。
    标准灯在标定量值前，要按规定在超压5%的情况下老化4o^-5oh，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。低级标准灯稳
压供电，高级标准灯稳流供电。标准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准灯，并按规定定期到计量部门检定。
    2.相对比较法测总光通量原理
    测量前，在球内点燃一只白炽灯去潮气，使球内壁的漫反射性能稳定，能稳
定地照射到光电池上。测量时依次点燃标准灯和待测灯。
    装标准灯在球心，有
    式中，is. ix分别为标准灯和待测灯光电池产生的电流。oS标准灯的光通量己
知，由上式便可得到待测灯的光通量ox。若测出待测灯的功率Px，或通电时供电
的电压和电流认、Ix，则可计算出灯的光效。
    测量时，先把标准灯装在球心，点燃5 - 10min，记下光电流is后，把电源关
掉，取下标准灯，装上待测灯点燃5~                15min，待其稳定后，记下待测灯的光电流
ix、光功率Px(或Ux. IX)。由上式，计算出灯的总光通量ox，并由r]=Ox/Px计算
出待测灯的光效。
    光通球质量的好坏，决定了测量的准确性，因此，要求光通球的球内壁是均
匀的理想漫射层，服从朗伯定律:球内壁各点的反射率要求相等:球内壁的自色
涂层的漫射是中性的;球半径处处相等，球内除灯外无其他物体存在:窗口材料
是中性的，其E符合照度的余弦定则:标准灯与待测灯均在额定电压下工作，稳定
性要好(频率:(5o士o.5) Hz，电压:(220士0.2) V)。
    测量光通量时，应多测儿次，求平均值(至少测量3次)。但实际情况与理想
条件不可能完全符合，因此，会带来测量误差，故需进行修正。
    由于待测幻’与标准灯在光通球里对光通量的吸收不同而产生自吸收造成误差
的修正方法为:
    首先测出修正系数。不点燃时，测量标准灯和待测灯的光电池的响应电流is
ix。其比值为自吸收系数a10
    其次考虑光谱功率分布不同所产生的误差，测光系统的等效光透射比与透射
和反射特性有关，为
    由于测光系统对标准灯一与待测灯的反射率P(人)不同，也会产生测量误差。
按下式，测出选择性修正系数。
    再次，考虑色温差产生的误差。由于各种光源的色温相差很人，在测量不同
色温光源时加上V(久)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，即色差修正。色差修正系数为a3o
    3.分布光度计测量光通量
    利用积分球测量光通量，方法虽然简单，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积分球的内球壁。因此发展了
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。测量时间由于引入了计算机已得到改善。
    1)工作原理
由光通量定义可知
    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。
    设想一半径为7.的闭合球面包围光源，将球面分割成若干球冠面积元Sl . S2,
SO ......测出各个而积元卜对应的照度E,、Er,. E.,......求出各个而t;卜的光诵帚为
    2)计算光通量的方法
    方法的核心是如何计算面积元。一般有等角度系数法、等立体角法和作图法
三种。下而对前两种方法进行介绍。
    (1)等角度系数法。如图4.20所示，以等角度的方法分割球面，从垂直轴开
始分割的第一个球带的面积为
Ei的计算方法如下。
    当光源的光强分布是轴对称时，先设27t7'= (COSOi-1-COSOi )为球带系数，可每
隔10“或20“进行分度，先将球带系数计算出来，再计算总光通量。一般以5“和100
进行分度。照度可用照度计算公式在(ei-l-ei) /2位置测量出照度，称为ei-l-ei的
平均照度。也可测量ei-1和ei处的照度Ei-1和Ei，再求两者的平均值，即(Ei-1-
Ei) /2作为平均照度。
    如架光源的光强分布不是轴对称的，则可适当绕垂直轴转动被测光源，分别
测定相应方位的光照度。这种方法尽管张角相同，但不同的位置球带的面积是不
同的，由图4.21所示可知，当张角为8o0' 90“时，对应的球带面积最大;而当张
角为。0' 10“时，对应的球带面积最小，人约相差11倍。因此，测量误差大，计算
复杂。
E;计算方法的关键是等球带面积对应相同的立体角，然而不同位置测量方向
的方位角a不同。
因此，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。关键在于求平分线角度ao
前面己指出，第i个球带的面积为
    n越大，测量结架越准确。
    分布光度计有立式和卧式两种。常用全自动控制分布光度计可测量光源的总
光通量，还可测量任一截而内光源在各个方向上的发光强度分布，即光源的配光
曲线。在分布光度测量中，一般光源位于测量中心，光度测量探测器处于离开测
量中心一定距离的位置上。要测量的光源或灯具在空间各方向上的光强分布，必
须有一套在两个方向可运动的变角测量装置。通常有下列儿种方式。
    ①探测器固定，测量灯具可分别绕着垂直轴或水平轴旋转，垂直轴和水平轴
的交点即为光度测量中心;
    ②光源固定不动，探测器可分别围绕垂直轴和水平轴作圆周运动;
    ③光源绕某一轴线旋转，而探测器则绕另一轴线作圆周运动，且两轴线互相
垂直;
    ④通过反射镜或相互运动装置实现前面的等效运动。
    3)旋转灯具式分布光度计
    探测器固定在离灯具一定距离的位置上，灯具装在可在两个方向旋转的转台
上。该转台的垂直主轴线是固定的，水平轴线可以移动，如图4.22所示。在计算
机控制下，电动机驱动垂直主轴旋转时，光度探头测量灯具在水平面上各方向的
发光强度值。当一个平面测量完毕后，水平轴电动机驱动灯具转过某一角度，然
后光度探头再测量另一平面上的光强分布。如此反复，垂直主轴连续旋转，水平
轴间断运动，实现灯具在空间各个方向上的光强分布数据的测量。这种分布光度
计通常也称做卧式分布光度计。
    在旋转灯具式分布光度计中，水平轴由双立柱支撑，灯具可以在以垂直轴旋
转时形成的水平面A一平面和以水平轴旋转形成的垂直面B一平面上测量。若移去水
平轴的一端立柱，则测量系统成为如图4.23所示的结构。在这种结构中，灯具可
以方便地在它所在的C-平面和倾斜形成的平面旋转得到的锥面上测量。仪器具有
高精度垂直轴旋转和水平轴旋转运动轴系，光度探头通常安装在离J卜旋转工作台
10-30M的距离上，以适应不同光束角和中心光强灯具的测量要求。