2.1 光度学的基本概念.ppt

1 物理科学与信息工程学院 2 1光度学的基本概念PhotometryBasicComcention 研究光的强弱的学科称为光度学 光度计量技术在照明 摄影 光电及激光等生产技术领域有广泛的应用 它是一门单独的学科 本节主要介绍光度学的基本概念 第二章光度学与光阑 PhotometryandLightDiaphragm 2 物理科学与信息工程学院 一 辐射通量 定义 单位时间内光源表面某一面积元ds辐射出来的所有波长的光能量 称为该面积元ds的辐射通量 或称为该面积元ds的辐射功率 对于光源上任一面积元的辐射通量 不同波长的光在其中所占的比例是不同的 为了表示辐射通量随波长的分布情况 引入分布函数e 它表示单位时间内通过面积元ds的某一波长附近的单位波长间隔内的光能量 3 物理科学与信息工程学院 从光源的某一面积元ds辐射出来的波长在 到 d 间的光辐射通量为 则从面积元ds发出的各种波长的总辐射通量为 e 是波长 的函数 它又称辐射通量的谱密度 4 物理科学与信息工程学院 二 视见函数 辐射通量 代表的是光源面积元ds在单位时间内辐射的总能量的多少 而我们感兴趣的只是能够引起人眼视觉的哪一部分 不同的波长 相等的辐射通量给人的感觉是不同的 也就是说 人眼对不同波长的光的灵敏度不同 实验表明 在较明亮的环境下 如白天 人眼对 0 555nm的黄绿光最敏感 可以用视见函数V 来表示人眼的相对光谱相应特性 规定波长 0 555nm的光的视见函数值为1 5 物理科学与信息工程学院 设波长为 的光和波长为555nm的光产生相同视觉强度时所需要的辐射通量分别为 和 555 则其视见函数为 当 555nm时 有V 555 1为最大 为其它值时 则V 1 实验结果 1 6mW 600nm的红光才能引起与1mW的555nm的黄绿光相同的明暗感觉 则对于波长为600nm的光的视见函数值为 6 物理科学与信息工程学院 也就是说 人的视觉对600nm的红光的敏感程度只有555nm黄绿光的0 63 红外光和紫外光无论具有多大的辐射通量都不能引起人眼的视觉反应 其视见函数值为零 所以称为不可见光 对大量正常眼的测量值统计平均后得到视见函数曲线如图 7 物理科学与信息工程学院 实线为白天光照下的曲线 称为明视见函数 虚线为夜间光照下的曲线 称为暗视见函数 由图可见 暗视见函数曲线的峰值向短波方向移动了约50nm 8 三 光通量 光通量是光度学的又一个基本量 它是用来反映辐射通量 的视见强度 用 表示 定义 光通量等于辐射通量与视见函数的乘积 在某一波长的附近对于波长间隔为d 的单色光来讲 其光通量为 称为光谱光视效能 Km为最大光视效能 物理科学与信息工程学院 9 物理科学与信息工程学院 光通量的单位为 流明 Lumen 符号 lm 由上式可知 光谱光视效能K 实际上是波长为 的辐射的功光当量 换言之 波长为 的1W的辐射通量相当于K 的光通量 最大光谱光视效能Km是指波长为555nm辐射的功光当量 即Km为最大功光当量 在国际单位制中 10 物理科学与信息工程学院 由前面可以看到 光通量与辐射通量具有相同的量纲 对555nm波长的光 我们可以写作 1瓦特 683流明 注意 流明与瓦特之间的换算关系随波长不同而异 对波长为 的单色光 有 1瓦特 683V 流明 则单色光的光通量可写为 11 物理科学与信息工程学院 则复色光的光通量可写为 电光源发出的总光通量 与电光源的耗电功率P之比 称为电光源的遍计发光效率 简称为发光效率 电光源的发光效率都是不高的 这是因为输入光源的电功率不能全部转化为电磁辐射通量 而电磁辐射通量中仅有一部分在可见光区域 12 物理科学与信息工程学院 四 发光强度 发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量 它可用点光源在单位立体角中发出的光通量来量度 d 是点光源在某一方向d 立体角内的光通量 在国际单位制中 发光强度的单位为坎德拉 Candela 符号 cd 发光强度的单位是国际单位制中七个基本单位之一 光度学中其它单位均为导出单位 13 物理科学与信息工程学院 一般情况下 发光强度因方向而异 对于各向同性的点光源 设它在空间各方向发出的总光通量为 则其发光强度为 对于给定的发光体 光具组不能增加总的光通量 光具组的作用是把光通量重新分布 例如 使它比较集中在某些选定的方向上 而相应地减小其它方向的发光强度 注意 仅当光源的限度相对观察距离可以忽略时 才能作为点光源 才能用发光强度来描述它的发光特性 14 物理科学与信息工程学院 五 亮度 亮度是用来表示面光源上某面元沿某方向的发光强度 设发光面上的面元ds发出的光 包围在一个立体角d 内 这束光的轴线与ds的法线成一个角度 在光束轴线方向上的ds的投影面积为dscos 从立体角d 中发出的光通量为d 则光源的亮度定义为 15 物理科学与信息工程学院 可见 亮度等于单位投影面积上沿单位立体角内发出的光通量 单位 坎德拉 米2 cd m2 德国数学家 天文学家朗伯 J Lambert 1728 1777 最早通过实验发现 许多发光体的亮度不随方向 而变化 这相当于 即发光体的发光强度随方向作余弦变化 这样的发光体称为余弦发光体或朗伯光源 16 物理科学与信息工程学院 发光强度和亮度的概念不仅适用于自身发光的物体 还可以推广到反射体 光束投射到光滑的表面上时 会定向地反射出去 而投射到粗糙的表面上时 它将朝所有方向漫反射 一个理想的漫反射面 应遵循朗伯定律 也就是说 无论入射光从何方来 沿各个方向漫反射光的发光强度总是与cos 成正比而亮度相同 这种理想的漫反射体称为朗伯反射体 17 物理科学与信息工程学院 六 照度 照度是表征受照射面被照明程度的物理量 它可用落在受照物体单位面积上的光通量的数值来量度 即照度等于单位面积上接收的光通量 照度的单位为 勒克