第1章 輻射度與光度基礎(chǔ)2013911

三、光度學量

★由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來評定的，因此照明光源的光學特性必須用基于人眼視覺的光學參數(shù)量即光度量來描述。

★光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強度值。能量相同而波長不同的光，對人眼引起的視覺強度是不相同的。2由于人眼的視覺細胞對不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反應(yīng)人的亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，在光頻區(qū)域光度學的物理量可以用與輻度學的基本物理量對應(yīng)的來表示，其定義完全一一對應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。

與輻射度量體系不同，在光度單位體系中，被選作基本單位的不是光量或光通量，而是發(fā)光強度，其單位是坎德拉?？驳吕粌H是光度體系的基本單位，而且也是國際單位制（SI）的七個基本單位之一。

光度的基本物理量

光度量中最基本的單位是發(fā)光強度單位——坎德拉(Candela)，記作cd，它是國際單位制中七個基本單位之一。其定義是555nm波長的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1／683Wsr-1時，在該方向上的發(fā)光強度為lcd。

光通量的單位是流明(lm)，它是發(fā)光強度為lcd的均勻點光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。光照度的單位是勒克斯(lx)，它相當于1lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。

人眼對各種波長的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對綠光最靈敏，對紅光靈敏度較差。

視見函數(shù)：國際照明委員會（CIE）根據(jù)對許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對各種波長的光的平均相對靈敏度，稱為“標準光度觀察者”的光譜光視效率V(λ),或稱視見函數(shù)。

兩種度量單位的轉(zhuǎn)換

1.光譜光視效能K(λ)

許多接收器所能感受的波長是有選擇性的，接收器對不同波長電磁輻射的響應(yīng)程度(反應(yīng)靈敏度)稱為光譜響應(yīng)度或光譜靈敏度。對人眼來說采用光譜光視效能K(λ)來表征不同波長輻射下的響應(yīng)能力，光譜光視效能K(λ)為同一波長下光譜光通量與光譜輻通量之比:

2.光譜光視效率（視見函數(shù)）V(λ)

由于人眼在頻率為(λm=555nm，該波長稱為峰值波長)的輻射下，K(λ)最大，記以，即光功當量。定義光譜光視效率V(λ)為某一波長的光譜光視效能與最大光譜光視效能Km之比：V(λ)又稱為視見函數(shù)。根據(jù)對許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計出各種波長的平均相對靈敏度。

光度量與輻射量的關(guān)系光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強度值。由于人眼對不同波長的光的感光靈敏度不一樣，能量相同而波長不同的光，在人眼中引起的視覺強度不相同。

1、光通量Φ

：光輻射通量對人眼所引起的視覺強度值。

例：若在波長λ到λ＋dλ間隔之內(nèi)的光源輻射通量為Φe，λ

dλ

。則光通量為

Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流明/瓦，Km＝683lm/W，它表示在波長為555nm處，即人眼光譜光視效率最大（V(λ)=1）處,與1w的輻射能通量相當?shù)墓馔繛?83lm；換句話，此時1lm相當于1/683W

2、發(fā)光強度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強度。

3、光出射度M：光源表面給定點處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該點的光出射度。

4、光照度E：被照明物體給定點處單位面積上的入射光通量，稱為該點的光照度。

光照度:入射于被照物體單位面積上的光通量.單位:勒克斯(lux,簡寫為lx),客觀存在,與被照物和人的感受無關(guān).照度光通量面積例如：

用一只發(fā)光為1750流明的100瓦白熾燈泡照明一個

3×3＝9平方米的房間，其平均照度為1750/9＝194.4勒克斯

5、光亮度L：光源表面一點處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。θ為給定方向與面元法線間的夾角。

6、光量Q：光通量Φ對時間的積分，稱為光（能）量。

光度量只在光譜的可見波段(380nm-780nm)才有意義。輻射度量符號單位光度量符號單位輻射能QeJ光量Qlm.s輻射通量Φ

eW光通量Φlm（流明）輻射強度IeW/sr發(fā)光強度Icd（坎德拉）=lm/sr輻射照度EeW/m2光照度Elx(勒克斯)=lm/m2輻射出射度MeW/m2光出射度Mlm/m2輻射亮度LeW/sr.m2光亮度Lcd/m2例1：已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計算其發(fā)出的光通量為多少lm？假設(shè)V(λ)=0.24

Φv,λ=Kλ,e*Φe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)LED的光參數(shù)幾種輻射源的光亮度輻射源亮度（坎德拉/平方厘米(cd·cm-2)）太陽表面2×105碳弧燈1×10460瓦除去光澤的白熾燈9陰極射線管540瓦白熾燈0.5白色發(fā)光漆3×10-6He-Ne激光器（10mW，d=1mm）7×107兩款攝影用測光表，可以測量亮度幾種輻射源產(chǎn)生的光照度輻射源照度（流明/平方米(lm·m-2)）He-Ne激光器（10nW，d=1mm）10米外5×105太陽（處于天頂位置）1.2×105晴朗天空1×104陰天1×103全月（處于天頂位置）0.27無月的陰暗天空1×10-4距60瓦白熾燈1米處1×102常見照度計輻射度學與光度學的兩條基本定律1．輻射強度余弦定律2．距離平方反比定律1．輻射強度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”

特點：各方向的輻射亮度是一樣的

例如：太陽熒光屏毛玻璃燈罩兩條基本定律1．輻射強度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”

特點：各方向的輻射亮度是一樣的

兩條基本定律2.距離平方反比定律

☆用點光源照明時，被照面的照度E與光源的發(fā)光強度I成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成反比。

證明?如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為θ，則：?對于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，其中ρ為漫反射率，它小于1，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。關(guān)于光度量，正確的是（）A、輻射通量的單位為勒克斯B、發(fā)光強度的單位為坎德拉C、光通量的單位為流明D、光照度的單位為坎德拉

小測試填空題：1、通常把對應(yīng)于真空中波長在（）到（）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。2、在光學中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類，一類是（

），另一類是（

）。3、光具有波粒二象性，既是（

），又是（

）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（

），但當光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時就突出地顯示出光的（

）。

作業(yè)1.某輸出功率為6mW的氦氖激光器，發(fā)出波長為0.6328μm的光束，均勻地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系數(shù)為0.96，設(shè)光速C=3108m/s，普朗克常數(shù)h=6.62610-34j·s，氦氖激光的視見函數(shù)V(6328)=0.268，試求：（1）幕的光照度為多少lx？（2）幕的反射出射度為多少lx？（3）幕每秒鐘接收多少個光子？作業(yè)2.在距離標準鎢絲燈2m遠處放置一個照度計探頭，已知探頭的光敏面積為0.5cm2，若照度計測得的最大照度為100(lx)，試求1、標準鎢絲燈在該方向的發(fā)光強度為多少？2、所發(fā)出的光通量為多少？1.輻射效率光源的基本特性參數(shù)在給定的λ1~λ2波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率比稱為在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。

2.發(fā)光效率光源的基本特性參數(shù)某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比稱為該光源的發(fā)光效率。光通量光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量，也即為輻射通量（或輻射功率）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受的那部分有效當量。；常見電一只40W的日光燈輸出的光通量大約是2100流明發(fā)光效率，是指1W的電功率能轉(zhuǎn)化成多少光通量。

常見光源的大致效率（流明/瓦）

白熾燈，15

日光燈，50

鈉燈，120

白光LED25lm/W？光度學基礎(chǔ)知識

若令其最大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分布。3.光譜功率分布

自然光源和人造光源大都是由多單色光組成的復色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來進行描述。決定光源顏色的客觀因素就是它的光譜功率分布；典型白光LED相對光譜分布曲線峰值波長λ2－

λ

1：譜線帶寬，即半峰值寬度。3.光譜功率分布0(a)線狀光譜0(b)帶狀光譜0(c)連續(xù)光譜0(d)混合光譜

低壓汞燈激光

高壓汞燈高壓鈉燈熱輻射光源鎢燈日常熒光燈常見的幾種光譜分布典型光譜功率分布曲線4.空間光強分布

利用配光曲線，提高光的利用率對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上自原點向各個徑向取矢量，就得到了光源在該截面的發(fā)光強度曲線，即配光曲線。配光曲線表示一個燈具或光源發(fā)射出的光強在空間中的分布情況。5.光源的分布溫度

輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。

用黑體輻射特性近似表示一般非黑體輻射光源的輻射特性，黑體的溫度決定了它的光輻射特性，對非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性近似的表示。對于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。5.光源的色溫

輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。

由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。

請注意，光源的色溫與光源本身的溫度是兩回事，通常兩者是不相同的。例如白熾燈光源本身溫度為2800K，但其色溫是2845K。LED…幾種標準光源

A光源：色溫為2845K，相當于白熾燈在2800K時輻射出的光。

B光源：相關(guān)色溫為4800K，相當于中午直射的日光。

C光源：相關(guān)色溫為6700K，相當于白天的自然光，它的藍色成分較多。

D65光源：相關(guān)色溫為6500K，相當于白天平均光照。

標準光源和色溫

4.光源的色溫

當絕對黑體的溫度增高時，最大的發(fā)射本領(lǐng)向短波方向移動,所以色溫較高的光源，其發(fā)出的輻射能較多地分布在波長較短的綠光和藍光之中；而色溫較低的光源，其輻射能較多地分布在波長較長的紅光中。因此，在上述幾種標準白光中，色溫較低者，偏紅；色溫較高時，偏藍。絕對黑體溫度與輻射峰值波長對應(yīng)值絕對黑體溫度（K）1000200030004000500060007000輻射峰值波長（um）2.8981.4490.9660.7250.5800.4830.415不同色溫的光源在色度圖中的位置，可見不同色溫的光，其顏色也不同。6.光源的相關(guān)色溫

對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關(guān)色溫表示。在均勻色溫度圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。平時我們所說的色溫大多是指相關(guān)色溫。

人工光源中，只有白熾燈與黑體加熱發(fā)光相似，其色溫為2856K，呈現(xiàn)的昏黃色與黑體在2856K時發(fā)出的顏色一樣，而燈絲也接近此溫度。其它人工光源的光色，不是黑體輻射，只能比照黑體輻射同顏色時的溫度。

色表：眼睛直接觀察光源時看到的顏色，即色表，是衡量光源色的指標。

高壓鈉燈：黃色；熒光燈：白色7.光源的顏色

顯色性：光源照射到物體后，人眼所看到的物體外觀呈現(xiàn)的色彩客觀效果。用顯色指數(shù)Ra表示，是衡量光源視覺質(zhì)量的指標。顯色性好（Ra>70）顯色性差(Ra<65)發(fā)光體（太陽光）的顯色性Ra=100。即任何物體在太陽光的照射下，該物體具有最真實的顏色或質(zhì)感附：1.色調(diào)：彩色物體的色調(diào)決定與在光照明下反射光的光譜成分。例如，某物體在日光下呈現(xiàn)綠色

是因為它反射的光中綠色成分占優(yōu)勢，而其它成分被吸收掉了。對于透射光，其色調(diào)則

由透射光的波長分布或光譜所決定；

2.色度：色調(diào)和飽和度的合稱，并不能反映明亮度。

顏色與色度顏色黑灰白彩色明度：顏色的明亮程度色調(diào)：顏色的類別飽和度：顏色的純度色度Relationship

顏色與色度三原色

三基色是相互獨立的，其中任一色均不能由其它二色混合產(chǎn)生。它們又是完備的，即所有其它顏色都可以由三基色按不同的比例組合而得到。有兩種基色系統(tǒng)，一種紅、綠、藍；另一種是黃、青、紫（或品紅）。

紅＋綠＝黃

紅＋藍＝紫

藍＋綠＝青

紅＋藍＋綠＝白

用C代表一種顏色，（R）、（G）、（B）表示紅、綠、藍三基色，則：其中，(R)、（G）、(B)表示代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍三原色的單位量；附：當這三原色光的相對亮度比例為1.0000：4.5907：0.0601時就能匹配