三、光度學(xué)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(lái)評(píng)定的，因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺(jué)的光學(xué)參數(shù)量即光度量來(lái)描述。

★光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺(jué)強(qiáng)度值。能量相同而波長(zhǎng)不同的光，對(duì)人眼引起的視覺(jué)強(qiáng)度是不相同的。2由于人眼的視覺(jué)細(xì)胞對(duì)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(jué)。光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用與輻度學(xué)的基本物理量對(duì)應(yīng)的來(lái)表示，其定義完全一一對(duì)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(qiáng)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(guó)際單位制（SI）的七個(gè)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(qiáng)度單位——坎德拉(Candela)，記作cd，它是國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一。其定義是555nm波長(zhǎng)的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1／683Wsr-1時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為lcd。

光通量的單位是流明(lm)，它是發(fā)光強(qiáng)度為lcd的均勻點(diǎn)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(dāng)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(duì)各種波長(zhǎng)的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對(duì)綠光最靈敏，對(duì)紅光靈敏度較差。

視見(jiàn)函數(shù)：國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的光的平均相對(duì)靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率V(λ),或稱視見(jiàn)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(zhǎng)是有選擇性的，接收器對(duì)不同波長(zhǎng)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(duì)人眼來(lái)說(shuō)采用光譜光視效能K(λ)來(lái)表征不同波長(zhǎng)輻射下的響應(yīng)能力，光譜光視效能K(λ)為同一波長(zhǎng)下光譜光通量與光譜輻通量之比:

2.光譜光視效率（視見(jiàn)函數(shù)）V(λ)

由于人眼在頻率為(λm=555nm，該波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng))的輻射下，K(λ)最大，記以，即光功當(dāng)量。定義光譜光視效率V(λ)為某一波長(zhǎng)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(jiàn)函數(shù)。根據(jù)對(duì)許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計(jì)出各種波長(zhǎng)的平均相對(duì)靈敏度。

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

1、光通量Φ

：光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺(jué)強(qiáng)度值。

例：若在波長(zhǎng)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(zhǎng)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(dāng)?shù)墓馔繛?83lm；換句話，此時(shí)1lm相當(dāng)于1/683W

2、發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度。

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

4、光照度E：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量，稱為該點(diǎn)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(jiǎn)寫為lx),客觀存在,與被照物和人的感受無(wú)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(gè)

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(diǎn)處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)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(duì)時(shí)間的積分，稱為光（能）量。

光度量只在光譜的可見(jiàn)波段(380nm-780nm)才有意義。輻射度量符號(hào)單位光度量符號(hào)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(qiáng)度IeW/sr發(fā)光強(qiáng)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(jì)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(yáng)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(cè)光表，可以測(cè)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(yáng)（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(wú)月的陰暗天空1×10-4距60瓦白熾燈1米處1×102常見(jiàn)照度計(jì)輻射度學(xué)與光度學(xué)的兩條基本定律1．輻射強(qiáng)度余弦定律2．距離平方反比定律1．輻射強(qiáng)度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”

特點(diǎn)：各方向的輻射亮度是一樣的

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

特點(diǎn)：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(diǎn)光源照明時(shí)，被照面的照度E與光源的發(fā)光強(qiáng)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(duì)于受到光照后成為面光源的表面來(lái)說(shuō)，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(wú)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(qiáng)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(cè)試填空題：1、通常把對(duì)應(yīng)于真空中波長(zhǎng)在（）到（）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。2、在光學(xué)中，用來(lái)定量地描述輻射能強(qiáng)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(guò)程中主要表現(xiàn)為（

），但當(dāng)光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時(shí)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(zhǎng)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(jiàn)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(gè)光子？作業(yè)2.在距離標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈2m遠(yuǎn)處放置一個(gè)照度計(jì)探頭，已知探頭的光敏面積為0.5cm2，若照度計(jì)測(cè)得的最大照度為100(lx)，試求1、標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在該方向的發(fā)光強(qiáng)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(zhǎng)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(shí)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(jué)系統(tǒng)所感受的那部分有效當(dāng)量。；常見(jiàn)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(jiàn)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(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

若令其最大值為1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過(guò)歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)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(fù)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(lái)進(jìn)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(duì)光譜分布曲線峰值波長(zhǎng)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(jiàn)的幾種光譜分布典型光譜功率分布曲線4.空間光強(qiáng)分布

利用配光曲線，提高光的利用率對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)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(diǎn)向各個(gè)徑向取矢量，就得到了光源在該截面的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。配光曲線表示一個(gè)燈具或光源發(fā)射出的光強(qiáng)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(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜功率分布與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)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(duì)非黑體輻射，它的某些特性常可用黑體輻射的特性近似的表示。對(duì)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(duì)光譜功率分布不一定相同。

請(qǐng)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(biāo)準(zhǔn)光源

A光源：色溫為2845K，相當(dāng)于白熾燈在2800K時(shí)輻射出的光。

B光源：相關(guān)色溫為4800K，相當(dāng)于中午直射的日光。

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

D65光源：相關(guān)色溫為6500K，相當(dāng)于白天平均光照。

標(biāo)準(zhǔn)光源和色溫

4.光源的色溫

當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度增高時(shí)，最大的發(fā)射本領(lǐng)向短波方向移動(dòng),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(zhǎng)較短的綠光和藍(lán)光之中；而色溫較低的光源，其輻射能較多地分布在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光中。因此，在上述幾種標(biāo)準(zhǔn)白光中，色溫較低者，偏紅；色溫較高時(shí)，偏藍(lán)。絕對(duì)黑體溫度與輻射峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)值絕對(duì)黑體溫度（K）1000200030004000500060007000輻射峰值波長(zhǎng)（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(jiàn)不同色溫的光，其顏色也不同。6.光源的相關(guān)色溫

對(duì)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(shí)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(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。平時(shí)我們所說(shuō)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(shí)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(shí)的溫度。

色表：眼睛直接觀察光源時(shí)看到的顏色，即色表，是衡量光源色的指標(biāo)。

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(jué)質(zhì)量的指標(biāo)。顯色性好（Ra>70）顯色性差(Ra<65)發(fā)光體（太陽(yáng)光）的顯色性Ra=100。即任何物體在太陽(yáng)光的照射下，該物體具有最真實(shí)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?yàn)樗瓷涞墓庵芯G色成分占優(yōu)勢(shì)，而其它成分被吸收掉了。對(duì)于透射光，其色調(diào)則

由透射光的波長(zhǎng)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(dú)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(lán)；另一種是黃、青、紫（或品紅）。

紅＋綠＝黃

紅＋藍(lán)＝紫

藍(lán)＋綠＝青

紅＋藍(lán)＋綠＝白

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