第1章 辐射度与光度基础2013911

三、光度学量

★由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最终是以人眼来评定的，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。

★光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。2由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完全一一对应，其关系如表1所示。

与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。

光度的基本物理量

光度量中最基本的单位是发光强度单位——坎德拉(Candela)，记作cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。其定义是555nm波长的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1／683Wsr-1时，在该方向上的发光强度为lcd。

光通量的单位是流明(lm)，它是发光强度为lcd的均匀点光源在单位立体角内发出的光通量。光照度的单位是勒克斯(lx)，它相当于1lm的光通量均匀地照在1m2面积上所产生的光照度。

人眼对各种波长的光的感光灵敏度是不一样的，一般情况下，对绿光最灵敏，对红光灵敏度较差。

视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。

两种度量单位的转换

1.光谱光视效能K(λ)

许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K(λ)来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K(λ)为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比:

2.光谱光视效率（视见函数）V(λ)

由于人眼在频率为(λm=555nm，该波长称为峰值波长)的辐射下，K(λ)最大，记以，即光功当量。定义光谱光视效率V(λ)为某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能Km之比：V(λ)又称为视见函数。根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。

光度量与辐射量的关系光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。由于人眼对不同波长的光的感光灵敏度不一样，能量相同而波长不同的光，在人眼中引起的视觉强度不相同。

1、光通量Φ

：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。

例：若在波长λ到λ＋dλ间隔之内的光源辐射通量为Φe，λ

dλ

。则光通量为

Km为辐射度量与光度量之间的比例系数，单位为流明/瓦，Km＝683lm/W，它表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效率最大（V(λ)=1）处,与1w的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句话，此时1lm相当于1/683W

2、发光强度I：光源在给定方向上，单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上的发光强度。

3、光出射度M：光源表面给定点处单位面积内所发出的光通量，称为光源在该点的光出射度。

4、光照度E：被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量，称为该点的光照度。

光照度:入射于被照物体单位面积上的光通量.单位:勒克斯(lux,简写为lx),客观存在,与被照物和人的感受无关.照度光通量面积例如：

用一只发光为1750流明的100瓦白炽灯泡照明一个

3×3＝9平方米的房间，其平均照度为1750/9＝194.4勒克斯

5、光亮度L：光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度。θ为给定方向与面元法线间的夹角。

6、光量Q：光通量Φ对时间的积分，称为光（能）量。

光度量只在光谱的可见波段(380nm-780nm)才有意义。辐射度量符号单位光度量符号单位辐射能QeJ光量Qlm.s辐射通量Φ

eW光通量Φlm（流明）辐射强度IeW/sr发光强度Icd（坎德拉）=lm/sr辐射照度EeW/m2光照度Elx(勒克斯)=lm/m2辐射出射度MeW/m2光出射度Mlm/m2辐射亮度LeW/sr.m2光亮度Lcd/m2例1：已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？假设V(λ)=0.24

Φv,λ=Kλ,e*Φe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)LED的光参数几种辐射源的光亮度辐射源亮度（坎德拉/平方厘米(cd·cm-2)）太阳表面2×105碳弧灯1×10460瓦除去光泽的白炽灯9阴极射线管540瓦白炽灯0.5白色发光漆3×10-6He-Ne激光器（10mW，d=1mm）7×107两款摄影用测光表，可以测量亮度几种辐射源产生的光照度辐射源照度（流明/平方米(lm·m-2)）He-Ne激光器（10nW，d=1mm）10米外5×105太阳（处于天顶位置）1.2×105晴朗天空1×104阴天1×103全月（处于天顶位置）0.27无月的阴暗天空1×10-4距60瓦白炽灯1米处1×102常见照度计辐射度学与光度学的两条基本定律1．辐射强度余弦定律2．距离平方反比定律1．辐射强度余弦定律“余弦辐射体”或“朗伯辐射体”

特点：各方向的辐射亮度是一样的

例如：太阳荧光屏毛玻璃灯罩两条基本定律1．辐射强度余弦定律“余弦辐射体”或“朗伯辐射体”

特点：各方向的辐射亮度是一样的

两条基本定律2.距离平方反比定律

☆用点光源照明时，被照面的照度E与光源的发光强度I成正比，而与被照面到光源的距离l的平方成反比。

证明☺如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线的夹角为θ，则：☺对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光出射度与光照度成正比，其中ρ为漫反射率，它小于1，它与表面的性质无关。关于光度量，正确的是（）A、辐射通量的单位为勒克斯B、发光强度的单位为坎德拉C、光通量的单位为流明D、光照度的单位为坎德拉

小测试填空题：1、通常把对应于真空中波长在（）到（）范围内的电磁辐射称为光辐射。2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（

），另一类是（

）。3、光具有波粒二象性，既是（

），又是（

）。光的传播过程中主要表现为（

），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（

）。

作业1.某输出功率为6mW的氦氖激光器，发出波长为0.6328μm的光束，均匀地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系数为0.96，设光速C=3108m/s，普朗克常数h=6.62610-34j·s，氦氖激光的视见函数V(6328)=0.268，试求：（1）幕的光照度为多少lx？（2）幕的反射出射度为多少lx？（3）幕每秒钟接收多少个光子？作业2.在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头，已知探头的光敏面积为0.5cm2，若照度计测得的最大照度为100(lx)，试求1、标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少？2、所发出的光通量为多少？1.辐射效率光源的基本特性参数在给定的λ1~λ2波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率比称为在规定光谱范围内的辐射效率。

2.发光效率光源的基本特性参数某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比称为该光源的发光效率。光通量光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即为辐射通量（或辐射功率）能够被人眼视觉系统所感受的那部分有效当量。；常见电一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明发光效率，是指1W的电功率能转化成多少光通量。

常见光源的大致效率（流明/瓦）

白炽灯，15

日光灯，50

钠灯，120

白光LED25lm/W？光度学基础知识

若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。3.光谱功率分布

自然光源和人造光源大都是由多单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来进行描述。决定光源颜色的客观因素就是它的光谱功率分布；典型白光LED相对光谱分布曲线峰值波长λ2－

λ

1：谱线带宽，即半峰值宽度。3.光谱功率分布0(a)线状光谱0(b)带状光谱0(c)连续光谱0(d)混合光谱

低压汞灯激光

高压汞灯高压钠灯热辐射光源钨灯日常荧光灯常见的几种光谱分布典型光谱功率分布曲线4.空间光强分布

利用配光曲线，提高光的利用率对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的，若在空间某一截面上自原点向各个径向取矢量，就得到了光源在该截面的发光强度曲线，即配光曲线。配光曲线表示一个灯具或光源发射出的光强在空间中的分布情况。5.光源的分布温度

辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。

用黑体辐射特性近似表示一般非黑体辐射光源的辐射特性，黑体的温度决定了它的光辐射特性，对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性近似的表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。5.光源的色温

辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。

由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。

请注意，光源的色温与光源本身的温度是两回事，通常两者是不相同的。例如白炽灯光源本身温度为2800K，但其色温是2845K。LED…几种标准光源

A光源：色温为2845K，相当于白炽灯在2800K时辐射出的光。

B光源：相关色温为4800K，相当于中午直射的日光。

C光源：相关色温为6700K，相当于白天的自然光，它的蓝色成分较多。

D65光源：相关色温为6500K，相当于白天平均光照。

标准光源和色温

4.光源的色温

当绝对黑体的温度增高时，最大的发射本领向短波方向移动,所以色温较高的光源，其发出的辐射能较多地分布在波长较短的绿光和蓝光之中；而色温较低的光源，其辐射能较多地分布在波长较长的红光中。因此，在上述几种标准白光中，色温较低者，偏红；色温较高时，偏蓝。绝对黑体温度与辐射峰值波长对应值绝对黑体温度（K）1000200030004000500060007000辐射峰值波长（um）2.8981.4490.9660.7250.5800.4830.415不同色温的光源在色度图中的位置，可见不同色温的光，其颜色也不同。6.光源的相关色温

对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。在均匀色温度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。平时我们所说的色温大多是指相关色温。

人工光源中，只有白炽灯与黑体加热发光相似，其色温为2856K，呈现的昏黄色与黑体在2856K时发出的颜色一样，而灯丝也接近此温度。其它人工光源的光色，不是黑体辐射，只能比照黑体辐射同颜色时的温度。

色表：眼睛直接观察光源时看到的颜色，即色表，是衡量光源色的指标。

高压钠灯：黄色；荧光灯：白色7.光源的颜色

显色性：光源照射到物体后，人眼所看到的物体外观呈现的色彩客观效果。用显色指数Ra表示，是衡量光源视觉质量的指标。显色性好（Ra>70）显色性差(Ra<65)发光体（太阳光）的显色性Ra=100。即任何物体在太阳光的照射下，该物体具有最真实的颜色或质感附：1.色调：彩色物体的色调决定与在光照明下反射光的光谱成分。例如，某物体在日光下呈现绿色

是因为它反射的光中绿色成分占优势，而其它成分被吸收掉了。对于透射光，其色调则

由透射光的波长分布或光谱所决定；

2.色度：色调和饱和度的合称，并不能反映明亮度。

颜色与色度颜色黑灰白彩色明度：颜色的明亮程度色调：颜色的类别饱和度：颜色的纯度色度Relationship

颜色与色度三原色

三基色是相互独立的，其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的，即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。有两种基色系统，一种红、绿、蓝；另一种是黄、青、紫（或品红）。

红＋绿＝黄

红＋蓝＝紫

蓝＋绿＝青

红＋蓝＋绿＝白

用C代表一种颜色，（R）、（G）、（B）表示红、绿、蓝三基色，则：其中，(R)、（G）、(B)表示代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位量；附：当这三原色光的相对亮度比例为1.0000：4.5907：0.0601时就能匹配