光学基本参数

1、1 光的度量及单位发光强度发光强度的单位是7个基本物理单位之一。它是光度量，辐射度量和色度量的基础。发光强度是用来表示点光源的发光能力的。在给发光强度下定义的时候，首先要假定辐射源是个点光源。其后要介绍的一些光度量单位，例如：光通量，光亮度和光照度等，都是由发光强度的概念，直接或间接推导出来的。1什么叫点光源？点光源是指相对于观察距离而言，发光体的体积尺寸要小得多，而且它发出去的光在各个方向上是相等的。例如天上的星星，虽然它的绝对体积尺寸并不小，但是相对于与我们之距离来说，它的体积尺寸是算小的，所以可以认为是一种点光源。又例如一个普通的100W白炽灯泡点亮状态，在1000米之外来观察它，可以认

2、为是一个点光源。但如果在10米之内来观察它，就不能认为是点光源。普通小功率LED发光二极管，内部发光体的面积，大约只有0.3mm最早cd单位的确定1支标准蜡烛的发光能力。早期由于缺乏对光发射能力测定技术，所以采用一支特定规格的蜡烛光，做为一个光源发光能力的单位。发光强度的单位，有时候也称为“烛光”，也许跟这个历史原因有关。随着科学技术的进步，这种做法也不太准确了。也很难进行定量化。用一个相当于标准蜡烛的电灯泡发光强度作为1cd的单位标准。这种做法准确度和稳定性都很差。黑体做为cd单位的标准发光体。1967年国际计量大会做出规定：在101325N/m2的压力条件下，使黑体内的纯白金，但是经过封装

3、加工后，把这个发光体装在一个顶部像碗状的金属支架上，顶部再装上一个环氧树脂透镜，光钱就大部分集中在顶部的垂直方向上，在金属支架的这个方向几乎没有光射过来。所以LED不是点光源。所以LED的发光强度不能符合严格物理学定义，从而也不符合距离平方反比定律。国际照明委员会CIE专门讨论过此问题，并折衷地采用“平均发光强度”的概念。2什么叫发光能力？发光能力是指光源发出可见光功率的能力。可见，发光强度含有类似于功率的意义，确切地说，它是人眼可以看得见并可感受到的那部分光功率的强度。3发光强度的单位对于任何一种物理量的度量，首先要确定用什么量值做单位。长度以米做基本单位；时间以秒做基本单位；重量以克为基本

4、单位，能量以焦尔为基本单位；电量以库伦为基本单位等等。发光强度以“坎特拉”为基本单位。英文缩写为“cd”。英文原词candle，意为烛光。“坎特拉”和“烛光”是同一个意思。为简化叙述，以下我们都说成cd。在科学发展的历史上，cd的确定，经历多次变化，这种变化的历史，正说明光学史进步与发展。但也给许多教科书，或技术文献造成许多混乱的表述，甚至含糊不清的定义，不能给读者以清晰准确的概念。处于凝固温度下，在cm2表面垂直方向上白金发出光的发光强度为led。60这种方法定出来的cd单位，是比较稳定也精确了。但它更多的是从绝对量的度量系统出发的。还不能很直接地反映眼睛感觉的定量度量。4）最新对cd的标准

5、定义。1979年，在巴黎举行的第十六届国际度量衡会议上，对cd单位做出决定：l“若一个单色光的点光源，波长入=555nm，在单位立体角内的辐射功率为丄W,683则该点光源的发光强度为1cd”。这样的定义，精确，且有明确可测量的数量表达，又把眼睛的主观感觉联系在一起1了。其中，点光源=555nm，单位立体角，辐射功率丄W等，都是明确可测的数683量。4什么叫单位立体角？单位立体角是个空间范围的概念。若以空间的一个点为中心，以1米为半径，在空间展开，构成一个球体，则球的表面积为4兀丫2二4Kx1m2，球表面上lm2的面积与球中心所构成的空间角，称为一个单位立体角。可见一个球总共有4兀个单位立体角。

6、5假如不是入=555nm的单色光，而是白光，或其它混色光，怎样理解led的发光强度？设混色光的光谱功率分布函数为P（入），则辐射的可见光功率为：760nmV（九）P（九）d九nr390nm符合上式关系等式的混色光的发光强度为led，其中，V（九）是视觉灵敏度函数。6什么叫mcd？Cd的千分之一，称为med,叫“毫烛光”lmd7不是点光源,引出“平均发光强度”的概念。大多数光源,都不能看成点光源。严格地说,一个当源在不同的方向上,其发光强度是不同的,这就引出了发光强度的光度空间分布图。利用积分球,它是一个密封的金属球体,有各种大小不同的直径。我们实验室有0.3米直径和l.5米直径的积分球。其内部

7、涂了含有硫酸钡的白色乳胶。被测发光体置于球的中心位置,发出的光线经内壁多次反射,形成内壁的照度处处均匀的效果。在球壁的某个地方,开个小孔,安装上光纤探头,对内部的照度进行取样,取样的信号送至光谱测试系统,进行放大分光,测出各项光学参数。如果用积分球测出LED的光通量，进而把LED等效为点光源，可以求出发光强度。这个发光强度，就是国际照明委员会专门为LED定义的“平均发光强度”。8Cd的第5种定义发光体在其出光方向，单位立体角内发出1流明的光通量。则称发光体在该方向上的发光强度为led。9LED的发光强度LED不是点光源,从而不适用距离平方反比定律。LED的发光强度也就不能符合严格的物理学定义。

8、因此，CIE对LED就折衷地采用“平均发光强度”的概念，来表示LED的发光强度。这种方法是把照射在离LED一定距离处，探测器灵敏面上的光通量e,与由探测器灵敏面构成的立体角Q的比值。这也可以理解为，灵敏面上的光通量与灵敏面面积的比值,这个比值就是照度,然后再换算成发光强度。原本测点光源发光强度,无须引入距离的概念,但是测照度却需要用到距离的概念。于是国际照明委员会专门制定了一个标准,CIE-127-1997标准,规定了这个距离316mm时为远场,10mm时为近场。远场的量值乘以10,即为近场值。但是最简单方便的方法，还是用积分球测出光通量e,其值除以4兀，即为平均发光强度。例如，某个绿光LED

9、，在积分球内测出光通量e=2.8lm，则平均发光强度=2.8=222medo遗憾的是，目前许多测LED发光强度的仪器，并没有这样做。他们只测到LED轴向上的照度，然后换算成发光强度。在许多生产商的产品技术数据表中,给出的发光强度Iv值,指的是在轴线方向上很窄的光束角内测得的照度换算过来的Iv值。这种做法，使得Iv值不能真正表示内部LED 芯片的发光强度，而与封装环氧树脂透镜形状有关，失去了发光性能的可比性。10.波长发光强度光功率三者之间的关系1)对于九=555的绿光1当发出的光功率=683W，对应的发光强度为1址2)对于红光九=625nm丄wV(625nm)=0.32,需要发射的光功率为墜二

10、3.125x一W才能达到led的发光强0.32683度。3)对于蓝光九=460nm1cd的发光强度，需要的发光功率九为460nm的光，需要发出16.6倍的光功率,V(460nm)=0.06，要获得丄W1P(460nm)二墜二16.6x丄W，0.06683换句话说，与九=555nm的光源相比,才能获得相同的发光强度。二、光通量光通量的含义我们现在所说的光通量是指总的光通量，而不是某个方向上的光通量。光通量的英文单词是“Flux”。它的英文代表符号是Fv,或者“”。定义：光源在单位时间内所发出的光量，称为光通量。不论是点光源，还是非点光源，测量它发出的总光功率值，就是光通量值。这里指的“光量”，是

11、指光源发出的，能被人眼睛感觉出来那部分光的能量。也就是说，光量是光源辐射出来的光能量，再乘以视觉函数的结果值。光通量的单位光通量的单位是流明。一个发光强度为1ed的点光源，在单位立体角内，单位时间内发出的光量，定为1流明，“Lm”，它是“Lumen的缩写。发光强度与光通量之间的关系如果一个点光源的发光强度为Iv,并且符合点光源定义。因为一个点光源发出光所占的空间为4n个单位立体角。则有下列关系式：Fv=4兀Iv例如，某个LED测出的光通量为3.2Lm，怎样换算成平均发光强度？计算方法如下:3.2LmIv=4k单位立体角25mc4d光通量的测量方法目前所见到的光通量测量方法，都是用积分球来测量的

12、。积分球能够把一个非均匀发光体变换成一个等效的点光源。光通量与光辐射功率之间的关系假设光源的辐射功率为P(九)，取一小块波长间隔d九，则辐射通量为P(九)d九。它在人眼睛上引起有效刺激的光通量为dFv(九)。则有下列等式:dF仇)=KmVP)加其中，Km是辐射度量与光度量之间换算的比例系数。Km=683对上式进行积分，就可以求出光通量。Fv(V)=KmJ780V(V)P(V)dV390对于某个实际发光体，其光谱分布只有在一定的波长范围之内，设波长范围从，其间1U2的波长用V表示，则辐射光功率可以用积分求得:ip(w)=jV2p)dVivii1可以进一步表示为：Fv(V)=68V3V(P)W(i

13、iVi应用举例1：设有1个可见光光源，V=555nm，测得光通量=683Lm，求它对应的辐射光功率是多少?查表得知，V(V.)=V(555nm)=1，i代入上式，68Lm=68LmmWx)xJ.W()P(W)=1WVi也就是说，对于V=555nm的这种绿光，要获得683流明的光通量，需要光源辐射出1W的光功率。应用举例2：某个蓝色LED光源，九二465nm，给出的辐射功率为220Mw,换算成光通量是多少流明？这是Lumileds公司一个大功率LED的实际参数规格。查V（465nm）=0.0789，代入公式Fv=683x0.07*90.=220Lh1对于小功率蓝光，辐射功率只有5mW,则Fv=683k0.07890.=005Lm2可见流明值很小，测试就有困难，很容易让人误解，因此，国外有些LED生产高，通常用辐射光功率