光學(xué)中常用的物理量及其單位與換算

 光學(xué)中有很多物理量，很多人對(duì)相關(guān)的知識(shí)比較好奇。本文簡(jiǎn)單總結(jié)了光學(xué)中常用的物理量及其單位與換算。

光學(xué)中常用的物理量

1. 光通量(符號(hào)Φ,單位流明)

光通量(Luminous flux):即一光源單位時(shí)間內(nèi)所放射出的光能量,為描述光源發(fā)光能力的基本量,單位為流明(Lumen,lm)。例如一個(gè)100W的燈泡可產(chǎn)生1,750lm,而一支40W冷白日光燈管則可產(chǎn)生3,150lm的光通量。根據(jù)定義, 1lm為發(fā)光強(qiáng)度1cd的均勻點(diǎn)光源在1球面度立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。即：

1lm = 1cd ·1sr

2. 發(fā)光強(qiáng)度(符號(hào) I,單位坎德拉 cd)

發(fā)光強(qiáng)度(Luminous intensity, Candle power):發(fā)光強(qiáng)度簡(jiǎn)稱光強(qiáng),指光源在特定方向單位立體角(單位為sr)內(nèi)所放射出來(lái)的光通量,也就是光源或照明燈具所發(fā)出的光通量在空間選定方向上分布密度,單位為燭光(Candle or Candela, cd)。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的光源可放射出12. 57lm的光通量。

3. 照度(符號(hào) E,單位勒克斯 lux,尺燭光 fc)

照度(luminance):受照平面上接受光通量的密度,可用每一單位面積的光通量來(lái)測(cè)量。1lm的光通量均勻分布在1平方公尺(m2)的表面,即產(chǎn)生1勒克斯(Lux)的照度;1lm的光通量落在1平方英尺(ft2)的表面,其照度值為1尺燭光(Foot candle, fc)。

3. 輝度亮度 (符號(hào) L,單位尼特 cd/m2,英尺朗伯 fl)

輝度或亮度(luminance, Brightness):當(dāng)人眼目視某物所看到的,可以兩種方式表達(dá):一用于較高發(fā)光值者如光源或燈具,直接以其發(fā)光強(qiáng)度來(lái)表示;另一則用于本身不發(fā)光只反射光線者如:室內(nèi)表面或一般物體,以亮度表示。亮度即被照物每單位面積在某一方向上所發(fā)出或反射的發(fā)光強(qiáng)度,用以顯示被照物的明暗差異,公制單位為燭光/平方公尺(Candela/m2, cd/m2)或尼特(nit),英制單位為英尺朗伯(Foot lambert, fl)。

4. 反射率
    反射率(Reflectance or reflection factor):某表面的亮度取決于落于其上的光量與該表面所能反射光線的能力;其所能反射的光的多寡與分布形式則取決于該材料表面的性質(zhì),以反射光與入射光的比值來(lái)表示,稱為該材料表面的反射比或反射率(%)。完美的黑色表面的反射比為0,亦即無(wú)論多少光落于其上皆無(wú)亮度產(chǎn)生而全被吸收;反之,完美白色表面的反射比為1(反射率100%,吸收率0%)。反射比的測(cè)量,首先,將照度計(jì)置于物體表面讀出其表面照度值Ei(Incident light),再將照度值置于其上5-8cm(感光部分朝該表面且確定無(wú)陰影遮擋),即可測(cè)出其所反射的照度值Er(Reflected light),表面照度除反射照度所得之商即為該材料表面的反射比

光學(xué)中常用的物理量的單位及單位換算

1967年法國(guó)第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)規(guī)定了以坎德拉、坎德拉/平方米、流明、勒克斯分別作為發(fā)光強(qiáng)度、光亮度、光通量和光照度等的單位,為統(tǒng)一工程技術(shù)中使用的光學(xué)度量單位有重要意義。

坎德拉(candela)的定義:在101325N/m2牛頓的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,面積等于1/60cm2的絕對(duì)“黑體”(即能夠吸收全部外來(lái)光線而毫無(wú)反射的理想物體),在純鉑(Pt)凝固溫度(約2042K,或1769℃)時(shí),沿垂直方向的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(cd)。并且,燭光、國(guó)際燭光、坎德拉三個(gè)概念是有區(qū)別的,不宜等同。從數(shù)量上看,60 坎德拉等于58. 8國(guó)際燭光,亥夫納燈的1燭光等于0. 885國(guó)際燭光或0. 919坎德拉。

這種定義是以純鉑在凝固點(diǎn)下的光譜成份為基點(diǎn)的,要對(duì)其他光輻射進(jìn)行測(cè)量,就要換算到相應(yīng)的光譜成份,還需相應(yīng)的視見(jiàn)函數(shù)值,不易準(zhǔn)確,另外這種定義也沒(méi)有明確規(guī)定最大光功當(dāng)量K max之值,影響光度學(xué)和輻射度學(xué)之間的換算。

1979年第16屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議,廢除上述坎德拉的定義,并規(guī)定:

坎德拉是發(fā)出540x1012Hz頻率的單色輻射源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度,該方向上的輻射強(qiáng)度為(1/683)W/sr。

坎德拉是國(guó)際單位制的基本單位(舊稱“燭光”,俗稱“支光”)。規(guī)定：

有了發(fā)光強(qiáng)度單位及發(fā)光強(qiáng)度與光亮度、光通量、光照度間的關(guān)系,光亮度、光通量和光照度的單位也就確定了。

自然光的照度在不同光線情況下為:

晴天陽(yáng)光直射地面照度約為100000lx

晴天背陰處照度約為10000lx

晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx

晴天室內(nèi)中央照度約為200lx

晴天室內(nèi)角落照度約為20lx

陰天室外50—500lx

陰天室內(nèi)5—50lx

月光(滿月)2500lx

日光燈5000lx

電視機(jī)熒光屏100lx

閱讀書(shū)刊時(shí)所需的照度50-60lx

在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx

晴朗月夜照度約為0. 2lx

黑夜0. 001lx