什么是光度量?光源的光度量包括哪些物理量?
2024-03-07
什么是光度量?我們把定量地測定光的明亮程度的科學稱為光度學,而由光度學得到的規格化的明亮度量叫做光度量,光度量一般包括光能量、光通量、發光強度、照度、亮度等。本文對光度量的含義及光度量包括的物理量做了介紹。
什么是光度量?
日常生活中,所謂光(guang)的(de)(de)“明(ming)(ming)亮(liang)(liang)(liang)”這一用語是(shi)在不太嚴密的(de)(de)情況下使(shi)用的(de)(de)。如(ru)激(ji)光(guang)器發出的(de)(de)光(guang)很“亮(liang)(liang)(liang)”,但作為(wei)(wei)室內照明(ming)(ming)就不具有(you)充足的(de)(de)明(ming)(ming)亮(liang)(liang)(liang)度(du)(du);又如(ru)采用幾支熒光(guang)燈(deng)作為(wei)(wei)窒內照明(ming)(ming)可以得到明(ming)(ming)亮(liang)(liang)(liang)的(de)(de)環境,但用一支就不夠(gou)亮(liang)(liang)(liang)。通常用單位體積的(de)(de)質(zhi)量(liang)即密度(du)(du)來比較物質(zhi)的(de)(de)輕重,同樣光(guang)的(de)(de)明(ming)(ming)亮(liang)(liang)(liang)程度(du)(du)也(ye)有(you)必要(yao)用立體角、面積等(deng)進行規格化后予以比較。把定(ding)(ding)量(liang)地測(ce)定(ding)(ding)光(guang)的(de)(de)明(ming)(ming)亮(liang)(liang)(liang)程度(du)(du)的(de)(de)科學稱為(wei)(wei)光(guang)度(du)(du)學;由光(guang)度(du)(du)學得到的(de)(de)規格化的(de)(de)明(ming)(ming)亮(liang)(liang)(liang)度(du)(du)量(liang)叫做光(guang)度(du)(du)量(liang)。
光度(du)量(liang)都是(shi)用對應的(de)輻射量(liang)乘光視效(xiao)能得到的(de)。輻射量(liang)是(shi)其單位為(wei)焦耳(J)、瓦(wa)特(te)(W)等(deng)的(de)物理(li)(li)量(liang);而光度(du)量(liang)是(shi)由(you)視覺心理(li)(li)來評價物理(li)(li)量(liang)時得到的(de)量(liang),稱為(wei)心理(li)(li)物理(li)(li)量(liang)。光度(du)量(liang)包(bao)括光能量(liang)、光通量(liang)、發光強度(du)、照度(du)、光出射度(du)、亮度(du)等(deng),每個物理(li)(li)量(liang)都有確(que)定的(de)含義和(he)單位,以下分別加以說明。
光源的光度量包括的物理量介紹:
1.光能量(Q)
光(guang)能量定義為光(guang)通量與照(zhao)射時間的乘積,其(qi)單位是流明·秒(lumen second),符(fu)號(hao)為lm·s。
如果光通(tong)量(liang)在(zai)照射時(shi)間之內隨時(shi)間而變化,則其光能量(liang)為(wei)光通(tong)量(liang)對(dui)時(shi)間的積(ji)分,即:
如果光通量(liang)在照射時間(jian)之內恒定不(bu)變,則光能量(liang)應為:Q=Φt。
2.光通量(Φ)
光源在單位時間內發(fa)出的(de)光能量稱為光通量:Φ=dQ/dt
光通量(liang)是用光視效能(neng)評(ping)價輻(fu)射通量(liang)(Φe)時得到的(de)量(liang),即能(neng)夠被人眼視覺系統所感受到的(de)那部分輻(fu)射功率(lv)的(de)大小的(de)量(liang)度,單位是流明(lumen),符號為(wei)lm。
3.發光強度(I)
把(ba)光(guang)(guang)源(yuan)在指定(ding)方向上單位立體角內(nei)所包含(han)的光(guang)(guang)通量定(ding)義(yi)為光(guang)(guang)源(yuan)在此(ci)方向上的發光(guang)(guang)強度,即:I=dΦ/dΩ。
式中Ω為立體角,其單位是球面度(steradian),符號為sr,規定在半徑為r的球面上,面積為r2的面元對球心的張角為1sr。因為球面的面積是4πr2,所(suo)以整個球面的(de)立體角為(wei)4πsr。
發光(guang)強度的單位是(shi)坎德拉(la)(candela),符號為cd。
4.照度(E)
在(zai)光(guang)接(jie)收(shou)面(mian)上一點處的(de)光(guang)照(zhao)度等于照(zhao)射在(zai)包括該點在(zai)內(nei)的(de)一個面(mian)元(yuan)上的(de)光(guang)通量(liang)dΦ與(yu)該面(mian)元(yuan)的(de)面(mian)積dS之比,即(ji)E=dΦ/dS。
單位是勒克斯(lux),符號為lx。當1lm的光通量均勻地照射在1m2的面積上時,這個面上的光照度就等于1lx,即1lx=1lm/m2。
5.光出射度(M)
光出射度是離開光源表面一點(dian)處的面元的光通(tong)量dΦ與該(gai)面元的面積(ji)dS之比,即:M=dΦ/dS。
光出射度M的單位是流明/平方米(lm/m2)。光出射度M在數值上等于單(dan)位面積光源所發射出的(de)光通(tong)量。
照度(du)E與光(guang)(guang)出射度(du)M的(de)表達式完全相同(tong),但(dan)含義(yi)不同(tong)。前(qian)者描述的(de)是光(guang)(guang)接收面(mian)所(suo)接收的(de)光(guang)(guang)度(du)特(te)性,而后者則是描述面(mian)光(guang)(guang)源向外發(fa)出光(guang)(guang)輻射的(de)特(te)性。
另外,這里所說(shuo)的(de)面(mian)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)不限于灼熱固(gu)體的(de)表面(mian)和實際光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)表面(mian),也可以是這些自發(fa)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)像或自身不發(fa)光(guang)(guang)(guang)而(er)在受照(zhao)(zhao)后成(cheng)為光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)表面(mian)。對于受照(zhao)(zhao)后成(cheng)為面(mian)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)表面(mian)而(er)言(yan),其光(guang)(guang)(guang)出射度(du)必然正(zheng)比(bi)于其照(zhao)(zhao)度(du),因此可得:M=kE。
式中k為小(xiao)于1的(de)因數(shu),它與受照面(mian)的(de)表面(mian)性(xing)質有關,若(ruo)(ruo)是光滑表面(mian)時則為反射(she)因數(shu);若(ruo)(ruo)是粗(cu)糙表面(mian)則為漫反射(she)因數(shu)。
6.亮度(L)
光源(yuan)在某一(yi)方向上的(de)發(fa)(fa)光能力(li)可以(yi)用發(fa)(fa)光強度來表示(shi),但要比(bi)較兩種不同類型光源(yuan)的(de)明(ming)亮程度,就(jiu)需要用到(dao)亮度這個光度量,它描述了光源(yuan)在單位(wei)面積上的(de)發(fa)(fa)光強度,即:L=dI/dS。
亮度的單位是坎德拉/平方米(cd/m2)。上(shang)式中(zhong)的面(mian)(mian)(mian)積(ji)應該是一個面(mian)(mian)(mian)在觀察方向(xiang)上(shang)的正投(tou)影面(mian)(mian)(mian)積(ji),所以當觀察方向(xiang)與該面(mian)(mian)(mian)的法線夾角為θ時,上(shang)式將變(bian)為:L=dI/dScosθ。
因此,光源的亮度應定義為在表面一點處的面元在給定方向上的發光強度與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比。將發光強度的定義式I=dΦ/dΩ代人L=dI/dScosθ,便可得到亮度的通用定義式:L=d2Φ/(dΩdScosθ)。
由(you)上式(shi)可(ke)知,亮(liang)度(du)不僅可(ke)用(yong)來描(miao)述(shu)一(yi)個(ge)發光(guang)面(mian)(mian),而且還(huan)可(ke)以用(yong)來描(miao)述(shu)光(guang)路中的任(ren)意一(yi)個(ge)截(jie)(jie)面(mian)(mian),如一(yi)個(ge)透鏡(jing)的有效(xiao)面(mian)(mian)積(ji)(ji)、一(yi)個(ge)光(guang)闌所截(jie)(jie)的面(mian)(mian)積(ji)(ji)或一(yi)個(ge)像的面(mian)(mian)積(ji)(ji)等。此外,亮(liang)度(du)也可(ke)以用(yong)來描(miao)述(shu)一(yi)束(shu)光(guang),光(guang)束(shu)的亮(liang)度(du)等于(yu)這個(ge)光(guang)束(shu)所包(bao)含的光(guang)通量除以它(ta)的橫(heng)截(jie)(jie)面(mian)(mian)積(ji)(ji)和立體(ti)角。
光源的色度量包括的色度學指標:
光(guang)源(yuan)的色(se)(se)度學(xue)指標(biao)(biao)也就是(shi)光(guang)源(yuan)的顏色(se)(se)指標(biao)(biao),主要有兩個:分別是(shi)色(se)(se)溫和(he)顯(xian)色(se)(se)性。
1.色溫
黑(hei)體即完全輻(fu)射體,是一種(zhong)能(neng)夠把(ba)落在它表面上的(de)(de)(de)(de)任(ren)何(he)波長(chang)的(de)(de)(de)(de)輻(fu)射全部吸收的(de)(de)(de)(de)物體。隨溫(wen)(wen)度(du)增加,黑(hei)體發光的(de)(de)(de)(de)顏色(se)(se)(se)變(bian)化順序依次(ci)為(wei)(wei)紅→橙→黃→白→藍。當某種(zhong)光源的(de)(de)(de)(de)顏色(se)(se)(se)(色(se)(se)(se)品坐標(biao))與某一溫(wen)(wen)度(du)下的(de)(de)(de)(de)黑(hei)體顏色(se)(se)(se)(色(se)(se)(se)品坐標(biao))相同時,就稱(cheng)此(ci)時黑(hei)體的(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)為(wei)(wei)該光源的(de)(de)(de)(de)顏色(se)(se)(se)溫(wen)(wen)度(du),簡稱(cheng)色(se)(se)(se)溫(wen)(wen),用符號(hao)Tc表示(shi),單(dan)位為(wei)(wei)開(kai)爾(er)文(wen),用"K”表示(shi)。色(se)(se)(se)溫(wen)(wen)是由光譜功率分布所決定(ding),色(se)(se)(se)溫(wen)(wen)越(yue)高,顏色(se)(se)(se)越(yue)偏向短波部分,色(se)(se)(se)溫(wen)(wen)越(yue)低,光色(se)(se)(se)越(yue)趨(qu)向于(yu)長(chang)波,即趨(qu)于(yu)紅黃色(se)(se)(se)。
2.顯色性
光源(yuan)的顯(xian)色性是描述(shu)光源(yuan)顏(yan)色特性的另一(yi)(yi)(yi)個方面,即物體(ti)在(zai)(zai)光源(yuan)照(zhao)明(ming)(ming)(ming)下(xia)所(suo)呈現顏(yan)色的真(zhen)實(shi)性。可表(biao)述(shu)為:在(zai)(zai)某光源(yuan)照(zhao)明(ming)(ming)(ming)下(xia)所(suo)呈現顏(yan)色效果與在(zai)(zai)日(ri)(ri)光或黑體(ti)輻射照(zhao)明(ming)(ming)(ming)下(xia)的一(yi)(yi)(yi)致性。光源(yuan)顯(xian)色性一(yi)(yi)(yi)般用顯(xian)色指數來表(biao)示(shi),該(gai)指標代表(biao)相同樣品(pin)在(zai)(zai)某種(zhong)(zhong)光源(yuan)下(xia)與日(ri)(ri)光下(xia)觀(guan)察(cha)時(shi)接近程度,顯(xian)色指數的范圍(wei)為0-100,數值越(yue)高,表(biao)示(shi)在(zai)(zai)這種(zhong)(zhong)光源(yuan)下(xia)觀(guan)察(cha)顏(yan)色的效果越(yue)好(與日(ri)(ri)光越(yue)接近),反之則越(yue)差(cha)。