HM832色度传感器.docx
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HM832色度传感器
HM832色度传感器
宁波华茂电子有限公司
1．概述
光强传感器主要用来测量光的强弱。
2．测量范围
照度：
HM803（0-6000Lux）；HM803A（0-600Lux）。
3．特点
适用于室内光照度的测定，光源强度与距离间关系的研究。
4．原理
光强传感器是根据硅光电池对光的强弱不同而产生输出电压线性变化原理设计。
此硅光
电池的光谱响应符合人类对光的视觉函数。
5．组成
光强传感器主要由光强探极，适配器等组成。
6．使用
一般步骤：
（1）保证光强探极处于基本无光照状态；
（2）将光强传感器与采集器相连；
（3）进入相应实验。
7．注意事项
（1）保持光强探极上的检测窗口干净，若发现不干净，则只能用擦镜纸轻擦。
（2）避免敲打、挤压，防止损坏窗口中的硅光电池。
8．应用实例
光照强度的测定
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9．相关知识
光量测基础知识介绍
一、简介
光度测量（photometry）学是测量人眼对光的响应的科学。
由于人眼是一个高度复杂的器官，这无疑是一个非常困难的工作。
它涉及到多个学科，
心理学、生理学和物理学等。
1924年，CIE（国际照明委员会）组织会议定义人眼对光平均响应值，从此光度测量学就
成为一门现代学科。
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。
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。
实验表明，在暗视场情况下，人眼有完全不同的响应值，在此情况下，人眼也无法辨别
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规定了标准光源作为光强量测的标准。
第一个标准光源
是一特殊的蜡烛，由此得出footcandle和candlepower的定义。
为了最大可能的提高重复
性，1948年，对标准进行了重新定义--一定量的金属铂融化所发出的光。
二、基本概念
光度的基本概念是流明（lumen），是一个与辐射度（radiometric）中的Watt相关的概念,关系如下：
lm=683?
W?
V（λ）
V（λ）-相对发光度，由视见函数得出的一个系数，把人眼在555nm（最灵敏波长）的值规定为1
两个重要的光度学定理：
1、平方反比定理:
连续光强光源在光接受表面的照度（illumination）与光源到接受表面距离之间的关系，即，照度值与该光源到接收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，因入射角的不同而随之变化，这是因为实际投影面积随
入射角的增大成比例的减少。
这样，在环境照明测试时，探头需要进行余弦校正来计算实际
值。
否则，就会产生相当大的误差，尤其当入射角较小时，误差更大。
光度量测的主要问题是如何再现人眼对光谱的响应。
电子探头独特的响应特征完全不同
于CIE标准观者。
为此，探头必须能按光谱校正数据。
通常有两个方法达到该目的，一是通
过不同波长扫描、探测，二是匹配滤滤光片法。
扫描法是用单色仪或多通道探测器来完成测试，在这种方法里，光源的光强被逐波长的
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，该技术需要微处
理器，要有一定的扫描精度，因此并不实用，而且，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。
因只有一个光电信号需要处理，因此一个
单通道的电子处理器即可。
近来滤光片设计技术的改进，以及固体探测器技术的提升，提高
了该技术在光度量测上的正确度。
滤光片匹配技术是在探测器前加一有色滤光镜（colored-glassfilter）,该滤光镜可以对不同波长进行选择性衰减，直到符合CIE视见函数曲线。
平面散射的Si光敏二极管，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，UDTI公司的光度计与CIE视见函数曲线仅有1%的误差。
根据CIE的统计，这是最佳的匹配值。
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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，由光度探测器的平均误差与CIE视见函数的比值得该数值。
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%。
需要指出的是，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。
探测器的响应值确定了以后，就要用标准转移技术来进行校正。
标准探测器由NIST提供。
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
用卤化钨灯。
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。
探头的光响应值确定了以后，就可以匹配一个精密的增益控制电子放大器和数据读出系
统。
三、重要术语
光度量及单位
光通量luminousflux
光通量的单位是流明（lumen）,是光度量的基本单位，表示可见光源所有的光输出量。
因此，光通量的测量要求能够将所有的光能量收集到光探测器上，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入射光的量。
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1footcandel。
公制单位中，每平方米1个流明为1勒克斯（lux）,10.76lux=1footcandle.
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，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
弦校正器。
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。
光出射度（luminousexitance）
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，但与照度测试和lux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。
平板发射会测试该值。
光强（luminousintensity）
光强也是表征光源的性质的物理量，是指所有的直射光和发散光。
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、该测量不适用于校正光源；二、对非均匀发射源，光
强是不确定的。
要得到光强值，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，这样就可以计算出球面角，用光通量的数值除以球面角，就得到光强值。
光亮度（luminance）
如大家所知的亮度（brightness）,光亮度（luminance）也是对相对平坦、均匀的平面反射或发射的光的量测。
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/?
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，而不是方形。
（见光度量
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单位表）
要测量亮度，必须严格规定探头的视场和计算角度，通常要用到透镜和反射板（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，探头与测试平板之间的距离决定测量的结果。
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。
光度量（luminanceenergy）
光度量是指放出的光通量，用流明〃秒表示。
多用于脉冲光源或闪光光源。
基于时间的光度量是可以测量的，如可对闪光灯在某一方向上的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。
首先，对光源进行评估，决定用何种方法进行测试；然
后，选择合适的探测器及光学系统（探头）；最后，为探头配臵电子设施，以提供应用所需
的操作界面。
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。
市场上的许多微光源、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臵，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。
正确选择探头
测试类型决定了探头及附件的选择。
在任何测试中，都要用到Si光敏二极管探测器（sensor）、探测器外罩、光度滤光片。
在光通量的测试时，探头必须能将所有的入射光聚焦或校正到探测器上。
如果，通量超出70lumen/c?
就超出了探测器的极限，输出的信号就失去线性。
这时
就要对光进行衰减。
中性滤光片（NDFilter）、光圈、积分球可达到该要求。
衰减元件的选
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择要要根据衰减值的要求：
既不至于超过探测器的饱和度，又要保证探测器的响应灵敏度和
动态范围。
如果光是垂直入射的，简单的探测器、滤光片组合就可以进行环境测量。
但当入射光偏
离法线时，如光从窗户或其它外部光源入射时，就需要余弦接受器。
积分球除了在灯源制造业广泛应用外，对LED、微光源等发散光源也十分有用。
它可以
确保插入积分球入口的光源的所有光被收集起来。
亮度的测量要对探头定义视场，光源的被测范围大小和探测器到被测物的距离可以计算
出夹角，比较大、近场，简单的挡板（baffle）,如球面遮光物、光圈将被用到。
但对于较
小的图像，如CRT等，就需要透镜系统，在一定距离进行测试。
UDTI公司提供各种亮度测试用的透镜、光学附件，包括显微测试和远程测试。
选择与应用匹配的电子设备
卓立汉光采用UDTI公司的光度探头都是Si光敏二极管，由于尺寸不同，一般输出为低
放大电流信号，由放大电路的倒数关系，电流信号转化为电压输出，用于不同的应用需求。
五、如何定量测试辐射系统
选择一灵敏的探测器和正确的读数设备，对于测试准确度有着重要的影响。
探测器将电磁波信号转化为电信号，然后读取设备接收到这些信号，并进行处理。
校准
测试系统会测试光源，而且用某一合适的光学单位显示出测试结果。
其显示单位应根据各自的特性来选择，且探测器的选择应考虑测量范围、波长计算、及
尺寸等因素。
两个相匹配的探测器及准确的测试单位，能精确测试光源。
光源因素：
正如前面"重要参数"中介绍的一样，光源特性由不同单位反映出来。
平行光源，如激光，其特性用"光通量"来测试。
一束光截面积大于探测器本身时，可以
用能量强度（光照度）来描述，单位w/cm2.积分球可以测量光通量，其目的是将强的激光
束"稀释"成为弱光使其达到探测器可以测量的范围。
电光源，如发光二级管的特性可以由光强度来描述，可以反映出空间散射的不同。
这种
测试可以简单实现，用一个狭缝和挡板来确定探测器接收角度。
测试过程应保证光对探测器
的入射角度一致。
这与探测器的面积及离光源的远近有关。
电光源也可以用光通量来定义，
用它来描述光源的辐射，测试过程可以借助整体球来实现。
均一的扩展光源如日光灯可以用光通量或光亮度来描述。
均一的扩展平行光源，如LCD,最好用光亮度来描述。
能量测试:
测试脉冲光源要考虑特殊因素。
光学能量的标准单位为焦耳。
能量测试时对信号在一段
时间内的积分。
若用硅或锗探测器来测试脉冲信号能量，则需要考虑探测器的尖峰效应，探
测器饱和会呈现出非线性变化，从而产生测量错误。
波长及光学滤波器:
光学滤波器可以允许某些波长的光通过，而滤除其他光波。
波器可以用来调节探测器的
响应，起到限制带通以及与期望反馈回路的匹配，或按某一比例衰减光能量，许多滤波器是
为与特定探测器而精心设计的。
一些滤波器和探测器组合必须要校准以保证测试的准确度。
一探测器/滤波器组合，达到均一的响应，是非常必要的，尤其是测量宽带光源、峰值
波长不确定、或其他情况。
GrasebyOptronics新的均匀滤波器能准确测试从450nm~1000nm波长的光波，误差小于?
5%。
探测器/滤波器组合，若是仅允许特殊带宽的光波通过时，适合测试弧光灯的波峰分布，
可见光，或其他特殊光谱成分。
窄带通滤波器常用于测量激光器的能量测试。
这种滤波器/探测器组可以保证只有从激
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光器发出的、单一的波长到达探测头的表面。
对于具体的探测器，一个重要的因素需要考虑，就是你要测试光的强度有多大，另外还
波长范围，能量处理能力。
硅和锗作为光测量物质：
锗和硅非常适合用来测时光信号。
这些物质通过光电效应将光信号转化为电信号。
在探
测器的输入范围内电磁波的转换及探测器反映是线性的。
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