光谱技术 | 辐射度量与光度量

在光辐射能的测量中，为了既符合物理学对电磁辐射度量的规定，又符合人的视觉特性，建立了两套参量和单位：辐射度量与光度量。

 

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一、辐射度量和光度量

 

➀ 辐射度量

辐射度学（Radiology）是一门以整个电磁波段的电磁辐射能测量为研究对象的科学。所有的电磁辐射都是光，可见光是光谱中人眼可以看到的部分，波长从380nm的紫色到780nm的红色。

辐射能（Radiant Energy）：辐射出来的电磁能量，以Qe表示，单位是焦耳J；它是空间内某个区域当中全部的光辐射能量，是这个区域所有光子能量的和。

辐射通量（Radiant Flux）：或说辐射功率，是单位时间内通过某片区域的辐射能量，以Φe表示，单位：瓦特/W。

辐射强度（Radiant Intensity）：点辐射源向各方向发出辐射，在某一方向，在单位立体角dΩ内发出的辐射通量，用Ie表示，单位：瓦特/球面度（W/Sr）。

辐射亮度（Radiance） ：是指面辐射源在某一给定方向上单位投影面积、单位立体角内的辐射通量，用Le表示，单位：瓦特/球面度/平方米（W/Sr/m²）。

辐射照度（Irradiance）：又称辐照度，是受照面单位面积上的辐射通量，用Ee表示，单位：瓦特/平方米（W/m²）。

 

 

辐射度量常用的量对比：

 

 

 

➁ 光度量

辐射度量学客观地评价辐射量；光度量是研究光度测量的一门科学，在辐射度量学基础上，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科。

光度量有如下四个常用的度量及定义。

光通量 (Luminous Flux)：光源单位时间内发出的可见光量之总和，用Φv表示，单位：流明，Φv=dQv/dt。测量仪器：积分球、分布光度计；量值：光通量标准灯。

光强度（Luminous Intensity）：光源在单位立体角内发出的光通量,也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分布的密度。角度越大，发光强度越小。Iv=dΦv/dΩ，单位：坎德拉(cd)。

光照度(Illuminance) ：照度是表示照射到平面上的光的亮度指标，是指光源射向平面状物体的光通量中，每单位面积的光通量。用Ev表示，单位为勒克司(lux) 。用于比较照明灯具照射到平面上的明亮程度。Ev=dΦv/dＡ，1lx=1lm/㎡

光亮度（Luminance）：物体的明暗程度，定义是单位面积的放光强度。单位：nit(尼特)或cd/m²(坎德拉/平方米)。测试仪器：亮度计、分光光度计、色彩分析仪、面型亮度计。

 

光度量常用的量对比：

 

 

常见发光体的光度参数

 

 

40W普通白炽灯光通量: 360lm

 

高亮手电筒光强:10000 cd(lm/sr)

手机屏幕亮度:500 nit(lm/sr/m²,cd/m²)

居家室内光照度:100lux(lm/m²)

 

 

➂ 视见函数：辐射度量转换成光度量的桥梁

人的眼睛的特性：

• 明视觉：在明亮的环境下，锥体细胞起主要作用，它能分辨物体的颜色和细节称之为锥体视觉又称明视觉（Photopic Vision)；
• 暗视觉：杆体细胞只在黑暗的环境下工作，它更关注物体明暗程度，而不关颜色，我们称之为暗视觉（Scotopic Vision)；
• 中间视觉：介于这两视觉之间的视觉称之为中间视觉。

视见函数:人眼对不同波长的单色光产生相同的视觉效应，需要不同的辐射功率。在可见光谱中，人眼对光诺越靠近光诺中部(黄绿色)最敏感，两端越不敏感。在引起相同的视觉响应条件下，若光波长为λ的光所需要的光辐射功率为P(A)，而对光波长为555nm的光 (明视觉下，人眼对此波长的光最敏感阴)所需要的光辐射功率为P（555），则定义V(λ)=P(555)/P(λ)为波长λ的视见函数。

• 相同的光通量，不同波长对人眼视觉刺激的大小不同，人眼感知的灵敏度不同；
• 视见函数是基于统计的平均结果；
• 是相对数值，以最敏感波长，明视觉555nm，暗视觉507nm最高为1，将其他波长做归一化得到；
• 视见函数的横坐标为波长，纵坐标为相对灵敏度。

CIE规定：光源发出555nm单色波长辐射在给定方向上的辐射强度为1/683 W/Sr，此时的发光强度为1cd。即对555nm单色波长:1cd=1/683w/Sr。

辐射通量与光通量之间的关系 (同强度，亮度，照度)：

• 光通量，单位:流明(lm)
• 辐射通量 (辐射功率)，单位:瓦(W)
• V(λ): 视见函数，无量纲相对数值
• Km:  Km=683lm/w最大光谱效能，单位:流明/瓦(lm/W)

二、辐射度量系统搭建

 

原始光谱是在当前配置的光谱仪下，经过模拟电信号转化为数字信号的光电子计数值，原始光谱强度分布并不代表所测光源的真实强度分布。如果用不同配置的光谱仪测量同一个光源，其原始光谱曲线很有可能有较大差异：

原始光谱和真实光谱差异的来源包括但不限于：

• 探测器响应
• 光栅的反射率

• 镜子的反射率

• 在样品和检测器之间传输光纤和任何其他光学元件

 

相对辐射校准和绝对辐射校准有什么区别?

绝对辐射校准：寻找校准因子（Counts到uw/cm²/nm）

相对辐射标准：只校准峰形，没有物理量，只有相对强度100%。

绝对辐射与相对辐射对比：

辐射校准/测量硬件配置和系统搭建：

辐射通量校准：

辐射照度校准：

 

三、辐射度量和光度量的应用

 

光伏：太阳能模拟器(稳态及脉冲)的光学性能评价，包括光谱匹配性、辐照度空间不均匀性、辐照度时间不稳定性等；

消费电子：LED，VCSEL，面板的光度指标质量控制；

健康安全与环境：紫外消毒、固化，紫外废水处理各紫外波段，尤其是UVC(200-280nm)的紫外辐射照度和紫外辐射剂量；

农业：特种光源的辐射表征，光合有效辐射(光通量密度/光量子通量密度)；

医美和治疗：冷光(蓝光)牙齿美白，新生儿黄蓝光治疗等辐射照度，辐射照度空间分布特征；

其他：任何需要进行光谱辐射表征的研究对象。