第1章輻射度與光度基礎淺析

1、 由于大部分光源是作為照明用的，而且照明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的效果最終是以人眼來評定的 ，因此照明光源的，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。度量來描述。 光度量是人眼對相應輻射度量的視覺強度值。光度量是人眼對相應輻射度量的視覺強度值。能量相同而能量相同而波長不同的光波長不同的光，對人眼引起的，對人眼引起的視視覺強度是不相同的覺強度是不相同的。第1章輻射度與光度基礎淺析2由于人眼的視覺細胞對不同頻率的輻射有不同響應，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反應人的亮暗輻射度單位描述的

2、光輻射不能正確反應人的亮暗感覺感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性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的來表示，其定義完全一一對應，其關系如表1所示。 與輻射度量體系不同，在光度單位體系中，被選作基基本單位的不是光量或光通量，而是發(fā)光強度，其單位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。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。 eeeeeeELMIQ、vvvvvvELMIQ、光度的基本物理量光度的基本物理量 光度量中最基本的單位是發(fā)光強度單位光度量中最基本的單位是發(fā)光強度單位坎

3、德坎德拉拉(Candela)，記作，記作cd，它是國際單位制中七個基本單，它是國際單位制中七個基本單位之一。其定義是位之一。其定義是555nm波長的單色輻射，在給定方波長的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為向上的輻射強度為1683Wsr-1時，在該方向上的發(fā)光時，在該方向上的發(fā)光強度為強度為l lcd。 光通量的單位是光通量的單位是流明流明( (lm) )，它是發(fā)光強度為，它是發(fā)光強度為l lcdcd的的均勻點光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。均勻點光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。 光照度的單位是光照度的單位是勒克斯勒克斯( (lx) )，它相當于，它相當于1 1lm的光通的光通量均勻地照在量均

4、勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。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，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，對一般情況下，對。 視見函數(shù)：國際照明委員會視見函數(shù)：國際照明委員會（CIE）根據(jù)對許多人根據(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種波長的光的，稱為，稱為“標準光度觀察標準光度觀察者者”的光譜光視效率的光譜光視效率V(),(),或稱視見函數(shù)?；蚍Q視見函數(shù)。1)(V1)555(nmV第1章輻射度與光度基礎淺析 兩種度量單位的轉(zhuǎn)換兩種度量單位的轉(zhuǎn)換 1. 光譜光視效能光

5、譜光視效能 K()v許多接收器所能感受的波長是有選擇性的，接收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程度器對不同波長電磁輻射的響應程度( (反應靈敏度反應靈敏度) )稱稱為光譜響應度或光譜靈敏度。為光譜響應度或光譜靈敏度。v對人眼來說采用光譜光視效能對人眼來說采用光譜光視效能K()K()來表征不同波來表征不同波長輻射下的響應能力，光譜光視效能長輻射下的響應能力，光譜光視效能K()K()為同一波為同一波長下光譜光通量與光譜輻通量之比長下光譜光通量與光譜輻通量之比: : veK第1章輻射度與光度基礎淺析2. 2. 光譜光視效率（視見函數(shù)）光譜光視效率（視見函數(shù)） V(

6、)V() 由于人眼在頻率為由于人眼在頻率為 ( (m=555nm，該，該波長稱為峰值波長波長稱為峰值波長) )的輻射下，的輻射下，K()K()最大，記最大，記以以 ，即光功當量。定義光譜光視效，即光功當量。定義光譜光視效率率V(V()為某一波長的光譜光視效能與最大光譜光為某一波長的光譜光視效能與最大光譜光視效能視效能Km之比：之比：12540 10 Hz1683mKlmWV()又稱為視見函數(shù)。根據(jù)對許多正常人眼的研究，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?？山y(tǒng)計出各種波長的平均相對靈敏度。 mKVK veK第1章輻射度與光度基礎淺析光度量與輻射量的關系光度

7、量與輻射量的關系780380( ) ( )vmeKVd 780380( ) ( )vmeXKXVd mKVK veK eedd光度量是人眼對相應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 1、光通量光通量 ：光輻射通量對人眼所引起的視覺強度：光輻射通量對人眼所引起的視覺強度值。值。 例：若在波長例：若在波長到到d間隔之內(nèi)的光源輻射通量為間隔之內(nèi)的光源輻射通量為e， d 。則光通量為。則光通量為780380,)()(dVKdVKememv Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)

8、，單位為流明明/ /瓦，瓦， Km683lm/W，它表示在波長為，它表示在波長為555nm處，即處，即人眼光譜光視效率最大人眼光譜光視效率最大（V()=1）處處, ,與與1w1w的輻射能通的輻射能通量相當?shù)墓馔繛榱肯喈數(shù)墓馔繛?83lm；換句話，；換句話，此時此時1 1lm相當于相當于1/683W 2 2、發(fā)光強度發(fā)光強度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)：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。出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強度。ddI 3 3、光出射度光出射度M：光源表面給定點處單位面積內(nèi)所發(fā)出：光源表面給定點處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱

9、為光源在該點的光出射度。的光通量，稱為光源在該點的光出射度。dAdMdAdE 4 4、光照度光照度E：被照明物體給定點處單位面積上的入射：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。光通量，稱為該點的光照度。 光光照度照度: :入射于被照物體單位面積上的光通量入射于被照物體單位面積上的光通量. .單位單位: :勒克斯勒克斯(lux,(lux,簡寫為簡寫為lx),lx),客觀存在客觀存在, ,與被照物與被照物和人的感受無關和人的感受無關. .照度照度光通量光通量面積面積例如：例如：用一只發(fā)光為用一只發(fā)光為17501750流明的流明的100100瓦白熾燈瓦白熾燈泡照明一個泡照明一個

10、3 33 39 9平方米的房平方米的房間，其平均照度為間，其平均照度為1750 / 91750 / 9194.4194.4勒克斯勒克斯 5 5、光亮度光亮度L：光源表面一點處的面元：光源表面一點處的面元dA在給定方向上在給定方向上的發(fā)光強度的發(fā)光強度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。 為給定方為給定方向與面元法線間的夾角。向與面元法線間的夾角。cosdAdIL 6 6、光量光量Q：光通量：光通量對時間的積分，稱為光（能）量。對時間的積分，稱為光（能）量。dtQ第1章輻射度與

11、光度基礎淺析 光度量只在光譜的光度量只在光譜的(380nm-780nm)(380nm-780nm)才有意義。才有意義。輻射度量輻射度量符號符號單位單位光度量光度量符符號號單位單位輻射能輻射能QeJ光量光量Qlm.s輻射通量輻射通量eW光通量光通量lm（流明）（流明）輻射強度輻射強度IeW/sr發(fā)光強度發(fā)光強度Icd（坎德拉坎德拉）=lm/sr輻射照度輻射照度EeW/m2光照度光照度Elx(勒克斯勒克斯)=lm/m2輻射出射輻射出射度度MeW/m2光出射度光出射度Mlm/m2輻射亮度輻射亮度LeW/sr.m2光亮度光亮度Lcd/m2例例1： 已知某已知某He-Ne激光器的輸出功率為激光器的輸出功

12、率為3mW，試，試計算其發(fā)出的光通量為多少計算其發(fā)出的光通量為多少lm？假設？假設V()=0.24 v,=K,e *e,=KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm)第1章輻射度與光度基礎淺析LEDLED的光參數(shù)的光參數(shù)第1章輻射度與光度基礎淺析幾種輻射源的光亮度幾種輻射源的光亮度輻射源輻射源亮度亮度 （坎德拉（坎德拉/平方厘米平方厘米 (cd cm-2)）太陽表面太陽表面2105碳弧燈碳弧燈110460瓦除去光澤的白熾燈瓦除去光澤的白熾燈9陰極射線管陰極射線管540瓦白熾燈瓦白熾燈0.5白色發(fā)光漆白色發(fā)光漆310-6He-Ne激光器（激光器（10mW，d=1mm）7107

13、第1章輻射度與光度基礎淺析兩款攝影用測光表，兩款攝影用測光表，可以測量亮度可以測量亮度第1章輻射度與光度基礎淺析幾種輻射源產(chǎn)生的光照度幾種輻射源產(chǎn)生的光照度輻射源輻射源照度照度 （流明（流明/平方米平方米 (lm m-2)）He-Ne激光器（激光器（10nW，d=1mm）10米米外外5105太陽（處于天頂位置）太陽（處于天頂位置）1.2105晴朗天空晴朗天空1104陰天陰天1103全月（處于天頂位置）全月（處于天頂位置）0.27無月的陰暗天空無月的陰暗天空110-4距距60瓦白熾燈瓦白熾燈1米處米處1102第1章輻射度與光度基礎淺析常見照度計常見照度計輻射度學與光度學的兩條基本定律輻射度學與光

14、度學的兩條基本定律1 1輻射強度余弦定律輻射強度余弦定律 2 2距離平方反比定律距離平方反比定律1 1輻射強度余弦定律輻射強度余弦定律 “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 0ddcosIILSS0cosII例如：太陽 熒光屏 毛玻璃燈罩兩條基本定律兩條基本定律1 1輻射強度余弦定律輻射強度余弦定律 “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 0ddcosIILSS0cosII兩條基本定律兩條基本定律2.2.距離平方反比定律距離平方反比定律 用點光源照明時，被照面的照度用點光源照明時，被照面的照度E與光源的發(fā)與光源的發(fā)光強度光強度I成正比，而與被照

15、面到光源的距離成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成的平方成反比。反比。 2lIE 2224444RIRIdAdERdAdERII 的的球球面面上上的的輻輻射射照照度度為為半半徑徑為為又又的的總總輻輻射射通通量量為為在在理理想想情情況況下下，點點光光源源設設點點光光源源的的輻輻射射強強度度為為如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為的夾角為，則：，則：cos2lIE 對于受到光照后成為面光源的表面來說，其光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，其中出射度與光照度成正比，其中為漫反射率，它為漫反射率，它小于小于1，它與表面

16、的性質(zhì)無關。，它與表面的性質(zhì)無關。EM關于光度量，正確的是（關于光度量，正確的是（ ）A、輻射通量的單位為勒克斯、輻射通量的單位為勒克斯 B、發(fā)光強度的單位為坎德拉、發(fā)光強度的單位為坎德拉C、光通量的單位為流明、光通量的單位為流明D、光照度的單位為坎德拉、光照度的單位為坎德拉 1、通常把對應于真空中波長在（、通常把對應于真空中波長在（ ）到（）到（ ）范圍內(nèi)）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。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、在光學中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類，一類是（類，一類是（ ），另一類是（），另一類是（ ）。）。3、光具有波粒二象性，既是（光具有

17、波粒二象性，既是（ ），又是（），又是（ ）。光）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（的傳播過程中主要表現(xiàn)為（ ），但當光與物質(zhì)之間），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（發(fā)生能量交換時就突出地顯示出光的（ ）。）。 作業(yè)作業(yè)1.某輸出功率為某輸出功率為6mW的氦氖激光器，發(fā)出波長為的氦氖激光器，發(fā)出波長為0.6328m的光束，均勻地投射到的光束，均勻地投射到0.8cm2的白色屏幕上。的白色屏幕上。已知屏幕的反射系數(shù)為已知屏幕的反射系數(shù)為0.96，設光速，設光速C= 3 108m/s，普，普朗克常數(shù)朗克常數(shù) h = 6.626 10-34js ，氦氖激光的視見函數(shù)，氦氖激光的視見函數(shù)V(

18、6328) = 0.268， 試求：（試求：（1）幕的光照度為多少）幕的光照度為多少lx？ （2）幕的反射出射度為多少）幕的反射出射度為多少lx？ （3）幕每秒鐘接收多少個光子？）幕每秒鐘接收多少個光子？作業(yè)作業(yè)2.在距離標準鎢絲燈在距離標準鎢絲燈2m遠處放置一個照度計探頭，已遠處放置一個照度計探頭，已知探頭的光敏面積為知探頭的光敏面積為0.5 cm2，若照度計測得的最大照度，若照度計測得的最大照度為為100(lx)，試求，試求 1、 標準鎢絲燈在該方向的發(fā)光強度為多少？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？、所發(fā)出的光通量為多少？第1章輻射度與光度基礎淺析1. 1.

19、輻射效率輻射效率21eeedPP光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)在給定的在給定的12波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射波長范圍內(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。規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。 第1章輻射度與光度基礎淺析 780380evvmVdPP2. 2. 發(fā)光效率發(fā)光效率光源的基本特性參數(shù)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。所需的電功率之比稱為該光源的發(fā)光效率。 p/32光通量光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)

20、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)所能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受感受的那部分有效當量有效當量。；常見電一只40W的日光燈輸出的光通量大約是2100流明 發(fā)光效率發(fā)光效率，是指1W的電功率能轉(zhuǎn)化成多少光通量的電功率能轉(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LED 25 lm/W ？光度學基礎知識第1章輻射度與光度基礎淺析 若令其最大值為若令其最大值為1 1，將光譜功率分布進行歸一化，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。率分布。3. 3. 光譜功率

21、分布光譜功率分布 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；的客觀因素就是它的光譜功率分布；典型白光典型白光LED相相對光譜分布曲線對光譜分布曲線第1章輻射度與光度基礎淺析峰值波長峰值波長2 1：譜：譜線帶寬，即線帶寬，即半峰值寬度。半峰值寬度。第1章輻射度與光度基礎淺析3. 3. 光譜功率分布光譜功率分布 P0(a) 線狀光譜 P0(b) 帶狀光

22、譜 P0(c) 連續(xù)光譜 P0(d) 混合光譜 低壓汞燈低壓汞燈 激光激光 高壓汞燈高壓汞燈 高壓鈉燈高壓鈉燈熱輻射光源熱輻射光源鎢燈鎢燈日常熒光燈日常熒光燈第1章輻射度與光度基礎淺析常見的幾種光譜分布常見的幾種光譜分布第1章輻射度與光度基礎淺析典型光譜功率分布曲線典型光譜功率分布曲線第1章輻射度與光度基礎淺析4. 4. 空間光強分布空間光強分布 利用配光曲線，提高光的利用率利用配光曲線，提高光的利用率v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，就得到的，若在空間某一截面上自原點向各個徑向取

23、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。示一個燈具或光源發(fā)射出的光強在空間中的分布情況。第1章輻射度與光度基礎淺析5. 5. 光源的分布溫度光源的分布溫度 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。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用黑體輻射特性近

24、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、色溫或相關色溫表示。布溫度、色溫或相關色溫表示。第1章輻射度與光度基礎淺析5. 5. 光源的色溫光源的色溫 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射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。源的色溫。 由于一種顏色可以由多種光譜分

25、布產(chǎn)生，所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以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。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第1章輻射度與光度基礎淺析幾種標準光源幾種標準光源 A A光源：色溫為光源：色溫為2845K2845K，相當于白熾燈在，相當于白熾燈在2800K2800K時輻射出的光。時輻射出的光。 B B光源：相關色溫為光源：相關色溫為4800K4800K，相當于中午直射，相當于中午直射的日光。的日光。 C C光源：相關色溫為光源

26、：相關色溫為6700K6700K，相當于白天的自，相當于白天的自然光，它的藍色成分較多。然光，它的藍色成分較多。 D65D65光源：相關色溫為光源：相關色溫為6500K6500K，相當于白天平，相當于白天平均光照。均光照。 標準光源和色溫標準光源和色溫 第1章輻射度與光度基礎淺析4. 4. 光源的色溫光源的色溫 當絕對黑體的溫度增高時，最大的發(fā)射本領向短當絕對黑體的溫度增高時，最大的發(fā)射本領向短波方向移動波方向移動, ,所以色溫較高的光源，其發(fā)出的輻射能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

27、較多地分布在波長較長的紅較低的光源，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，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。偏紅；色溫較高時，偏藍。第1章輻射度與光度基礎淺析絕對黑體溫度與輻射峰值波長對應值絕對黑體溫度與輻射峰值波長對應值絕對黑體絕對黑體溫度（溫度（K）1000200030004000500060007000輻射峰值輻射峰值波長（波長（um）2.898 1.449 0.966 0.725 0.580 0.483 0.415第1章輻射度與光度基礎淺析不同色溫的光源在色度圖不同色溫的光源在色度圖中的位置，可見不同色溫中的位

28、置，可見不同色溫的光，其顏色也不同。的光，其顏色也不同。第1章輻射度與光度基礎淺析色表：眼睛直接觀察光源時看到的顏色，即色色表：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。表，是衡量光源色的指標。 高壓鈉燈：黃色；熒光燈：白色高壓鈉燈：黃色；熒光燈：白色7. 7. 光源的顏色光源的顏色 顯色性：顯色性：光源照射到物體后，人眼所看到光源照射到物體后，人眼所看到的物體外觀呈現(xiàn)的色彩客觀效果。用顯色指的物體外觀呈現(xiàn)的色彩客觀效果。用顯色指數(shù)數(shù)RaRa表示，是衡量光源視覺質(zhì)量的指標。表示，是衡量光源視覺質(zhì)量的指標。第1章輻射度與光度基礎淺析顯色性好（顯色性好（Ra70）顯色性差顯色性差(Ra65)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B4 Project Confidential附附：1.色調(diào)：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。 顏色與色度顏色與色度 顏色顏色黑灰白