标准光源

二、光度学有关物理量
5. 光亮度 光亮度表示发光表面不同位置和不同方向上的发光特性。 (1)光亮度 发光面积dS的面光源在给定的θ角方向上立体角dΩ内发出 的光通量称为光亮度，符号为L。 N dΦ 数学表达式为：
dΦ I L= = cos θdsdΩ cos θds
dS
dΩ θ
二、光度学有关物理量
S (λ) 200 1000K 2000K 150 3000K
4000K 100 5000K 6000K 10000K 50 20000K ∞
0 400
(nm) 500 600 700
三、光源的颜色温度
1．色温 将光源的相对光谱功率分布与某温度下 黑体辐射的相对光谱功率分布相比较， 如果与黑体某一温度的相对光谱功率分 布一致时，该光源的光色可由某一温度 值来表示，称为颜色温度，简称色温。 色温用绝对温度K表示。
第三章 标准光源
3.1 光度学基础
一、辐射量度学与光度学
光源的光线（辐射能）照射在物体（非发光体）上，经过 物体吸收、反射或透射而产生色彩。 非发光体的颜色主要由其透过或反射的光谱成分决定。物 体透过或反射的光谱成分由光谱透射率τ（λ）或光谱反射 率ρ（λ）来反映。 1．辐射量度学 对光辐射能量的计量称为辐射量度学。 2．光度学 对电磁辐射中的一部分可见光的能量计量称为光度学。 光度学是辐射量度学的一部分。 3．辐射能 光源所辐射的能量称为辐射能，单位是J （焦[耳]）。
3.2 光源的颜色特性
一、光源的光谱功率分布曲线
一般光源发出的光是由许多不同波长的辐射组 成的复色光，且各个波长的辐射功率也不同。 光源的光谱辐射功率（能量）按波长的分布称 为光谱功率（能量）分布（spectral power distribution）。
一、光源的光谱功率分布曲线
光源的光谱功率分布可用曲线表示。 以波长为横坐标而以光源辐射的各种波长光能量绝对值为 纵坐标所作的曲线，称为绝对功率分布曲线。 如令光谱分布能量的最大值为“1”或其他数值，将光源辐 射光谱的其他各种波长的能量与之进行比较，作归一化处 理后，使辐射功率仅在规定的范围内变化，这样的光谱曲 线就称为相对光谱功率分布曲线,可记为S(λ) 。 每种光源都有自己的相对光谱功率分布曲线。
π
2
a
i
b di
d
Ω=
−
∫π cos idi ∫ dΦ
0 2
2π
π
= 2π × 2 sin idi = 4π
0
∫
2
二、光度学有关物理量
光学系统的孔径角(平面角)α 已知，则对应的立体角：
Y
α Ω = 4π sin 2
2
当α很小时，则上式为： Ω =πα 2
Z
0
X
二、光度学有关物理量
2. 发光强度 (1)发光强度 在某一方向上单位立体角dΩ内发出的光通量称 为点光源在该方向的发光强度，符号为I。 数学表达式为：I = dΦ = dΦ r 2 dΩ dS dS是立体角的边界所围的面积，r是立体角顶点 至球面的距离。
光亮度的数值随发光表面的特性而异。它表示发光 面上单位投影面积在单位立体角内所发出的光通量， 在数值上等于单位面积在其法线方向上的发光强度。 光亮度的单位为坎德拉/平方米（cd/m2）[尼特（nt） 或熙提（sb）]。 sb ] 如果在法线方向的发光强度为1cd，则该光源在该方 向的单位面积内的亮度为坎德拉/平方米（cd/m2） 。 若发光面积为cm2，则光亮度单位为坎每平方厘米 （cd/cm2），即sb（熙提），显然1sb = 104 nt。
一、辐射量度学与光度学
光谱光效率函数就是辐射能转化为人眼可见光的程度 光通量可以理解为光谱不同波长辐射能对人眼产生光亮感觉 作用的数量特征的度量。在人眼可以感觉到的光谱能量部分 人眼对各种波长的感受性作用，各个波段所产生的光感觉程 度也不同 按照CIE光谱光效率函数V(λ)来评价辐射通量Φe(λ)，在整个 可见光谱区间可由下式计算
二、光度学有关物理量
1. 立体角 光源的光通量辐射在它周围 的一定空间内。所以，有关 光能的讨论和计算是在一个 立体空间。 立体角(Ω)指一个 任意形状的封闭锥 面所包含的空间。 单位为一个立体角和 球面度(sr)
ds dΩ = 2 r
Y
0
X
Z
二、光度学有关物理量
整个球面的立体角
a = r ⋅ cos i ⋅ dΦ b = r ⋅ di ds = a × b = r 2 ⋅ cos i ⋅ di ⋅ dΦ ds dΩ = 2 = cos i ⋅ di ⋅ dΦ r
dS
0
dΩ
I
r
二、光度学有关物理量
如果点光源为各向同性即发光强度各方向相同，则可以用 有限立体角Ω代替小立体角d Ω ，即
Φ I= Ω
(2)单位 发光强度的单位是坎德拉(cd) 在101325 Pa压力下，处于铂凝固温度(2045K)的绝对黑体 1/60cm2表面垂直方向上的发光强度定作1坎德拉(cd)。 发光强度为1cd的点光源在单位立体角内发出的光通量为1lm。
二、光度学有关物理量
３．面发光度 对于一定面积的发光体，它的几何尺寸与光源 到被照面距离相比。 小面积dS，在单位面积内所发出的光通量为面 发光度，符号为M。 面发光度的单位为勒克斯（lx）或lm/m2。 面发光度的数学表达式为 M
Φ S
dΦ = dΩ
如果发光表面各点均匀发光，则：
M =
二、光度学有关物理量
一、辐射量度学与光度学
4．辐射能量 光源在单位时间内通过某一面积发射、传递或接收的辐射能 量称为辐射通量，以Φe（λ）表示，单位为W。 辐射通量Φe（λ）表示光源元面积在单位时间内传送出的客 观能量的多少。 5．光通量 光源在单位时间内在给出表面上流出可见光能的大小称为光 通量，以Φv（λ）表示，单位为流[明]（lm）。 光通量与辐射通量之间的关系为： ΦV (λ) = KV(λ)Φe(λ) V（λ）为光谱光效率函数 K为辐射能光当量，K＝683 lm/W 1W 555nm辐射通量的单色辐射等于683 lm的辐射通量 1 lm 555nm单色光的光通量相当于0.00146W辐射通量
一、光源的光谱功率分布曲线
连续光谱 线状光谱 混合光谱 光源的相对光谱辐射功率(能量)分布决定了光源的颜色 特性。 1931年CIE建议E光源为假设的最理想光源，又称等能白 光或理想白光。 等能白光的定义是以辐射能作纵坐标、光谱波长为横坐 标的相对光谱辐射功率(能量)分布曲线是一条平行横轴 的直线，即S(l)= C(常数)。
S（λ） 1
S（ l（ 1 S（ l （ 1
0.5
0.5
0.5
0 300
400
500
600
700
(nm)
0 300
400
500
600
700
源自文库
(nm)
0 300
400
500
600
700
(nm)
二、绝对黑体的辐射
1. 绝对黑体 绝对黑体是指在辐射作用下既不反射也不透射， 而能把落在它上面的辐射全部吸收的物体。 在任何温度下，全部吸收任意波长的辐射能的 物体，称为绝对黑体，简称黑体(Black Body)。 吸收本领大的物体，发射本领也必然大；吸收 本领差的物体，发射本领也必然差。显然，绝 对黑体的吸收本领是所有物体中最大的。 物体加热到高温时便产生辐射。
ΦV (λ ) = 683∫ V (λ )Φ e (λ )dλ
400 700
555nm,1W,V=1,φ=683lm; 600nm,1W,V=0.631, φ=430.97lm； 650nm,1W,V=0.107, φ=73.08lm; 700nm,1W,V=0.0041, φ=2.8 若要得到相同的φ，后者的Φe(λ)须是555nm的1.58倍,9.35倍和 243.9倍
二、绝对黑体的辐射
2．模拟黑体
用耐火材料人工制造黑 体。在一个封闭的空腔 上开一个小孔，从小孔 射入空腔里面的光经内 部多次反射和吸收后很 难再射出来。 均匀加热容器壁，并让 辐射能量通过壁上的小 孔向外发射，这个小孔 的辐射就相当于一个绝 对黑体的完全辐射。
小孔
火力
加热
二、绝对黑体的辐射
绝对黑体的光谱辐射完全依赖于该黑体的温度。 随着温度的升高，颜色向短波方向变化，即光色按红→黄→白→ 蓝顺序变化。 绝对黑体的辐射能量与该黑体的绝对温度的四次方成比例，即E ＝λT4。 T λM=b(常数) 绝对黑体不同温度的光色变化在CIE1931色度图上形成了一个弧 形轨迹
二、光度学有关物理量
(2) 朗伯定律 一个面积为S的均匀发光面，在某一方向的亮度为Lθ ， 它在这个方向的发光强度为Iθ= LθS cosθ。 若面光源的亮度在各个方向上都相等，即亮度不依赖方 向角，Lθ= L = 常数，即I0 = LS. 则：Iθ= I0 cosθ I I 一个亮度在各方向都相等的发光面， 在某一方向的发光强度为Iθ，等于 这个面垂直方向上的发光强度I0乘 以方向角的余弦。这就是发光强度 的余弦定律，也称朗伯定律。 θ 这样的发光面称朗伯发射面或朗伯 体，有时叫均匀漫射体或余弦发射 体、余弦发光面。
EA = I
cos θ
r2
= 200 ×
5 = 40 = 8 × 2.236 = 17.89lx 5 5
二、光度学有关物理量
D =2 mm 1O
氩离子激光器的辐射波长为486nm，辐射通量为1W，求 此激光束的光通量大小？若此激光束的发射角、放电毛细管 如图所示，求此激光束的发光强度和光亮度？ 解：V486＝V480＋（V490－V480）×0.6 ＝0.139+(0.208-0.139)×0.6＝0.1804 ϕ＝683×V×ϕe＝683×0.1804×1＝123.21(lm) I＝ ϕ/Ω＝ ϕ/πα2＝123.21/3.14×0.01752 ＝123.21/9.61×10-4＝1.28×105(cd) L＝I/S＝I/πR2＝1.28×105/3.14×0.0012 ＝4.076×1010(cd/m2)
三、光源的颜色温度
2．相对色温 当某一光源其色度坐标与任何温度下的黑体的色 度坐标均无法相同时，就用相对色温来描述其色 彩。 当光源发射的光与黑体某一温度下辐射的光的颜 色最接近，即在均匀色度图中的色距离最小时， 则黑体的这个温度称为该光源发射的光的相对色 温。 色温表征了光源的光谱特性，与光源的温度无关， 而只与光源的光谱成分有关。色温低的光源，蓝 光成分少，红光成分多；色温高的光源，则蓝光 成分多，红光成分少。
三、光源的颜色温度
4. 印刷与摄影对色温的要求 在彩色摄影和摄像中，照明光源的色温应与照相胶卷、摄 像机的色温相匹配。光源色温高于感光片的标定色温时， 拍摄的画面影像偏蓝；当色温低于感光片的标定色温时， 拍摄的画面影像偏橙红色。 日光型彩色感光片（标定色温为5500 K）适合在中午左右 的日光或电子闪光灯下（色温5300–6000）拍摄；灯光型彩 色感光片（标定色温为3200 K）适合在摄影碘钨灯下或其 他色温相近似的光源照明下拍摄。 对于数字照相机，则应做好白平衡调节，以避免色温误差 引起的画面偏色。 在印刷复制中，光源色温对复制效果影响较大。色温过高 或过低都会直接影响分色效果。 色温在5000～6500 K的光源，其光谱能量分布较符合照相 分色的要求。印刷时用作看样的照明光源，色温以5000 K 或 6500 K为好，否则所呈现的色彩将会出现偏差。
0
二、光度学有关物理量
如图所示，求其中心点和边缘点的光照度。 1. 中心点O的照度： r=1m,θ=0°,则 EO＝I/r2＝100/1＝100(lx) 2. 边缘点A的照度： r = 1 + 22 = 5 = 2.236
I=100cd
h=1m
1 h cos θ = = r 5
1
A O R=2m
B
三、光源的颜色温度
3. 光色的适应性 照度水平与人眼对光色的适应性(舒适感)有一定的相互 关系。 在很低照度下，人眼最适应的光色是接近火焰的低色 温光色。 在偏低和中等照度下，是接近黎明或黄昏时色温的光 色。 在较高照度下，是接近中午阳光或偏蓝的高色温的天 空色光。 通常，日出前(后)色温2000～4500K，中午和阴天为 5000～7000K，夜晚为色温较低的连续光谱。
距离平方反比定律 面积dS上的光照度E为：
E =
cos θ dΦ = I dS r2
点光源直接照射一微面积时，微面积 的光照度与点光源的发光强度I成正 比。 与点光源到微面积的距离r平方成反 比。 与微面积法线和照射光束方向的夹角 θ的余弦成正比。 垂直照射时（θ= 0），光照度最大； 掠射时（θ = 90°），光照度为零。
4. 光照度 在被照明表面单位面积所接受的光通量称为光 照度，符号为E，单位为勒克斯（lx）或lm/m2。 光照度的数学表达式为E = d Φ
dS
L
E
二、光度学有关物理量
在均匀照明下则为
E =
Φ
面发光度L与光照度E的区别是面发光度L的光 通量dΦ是受照面dS上发出的光通量dΦ 的反射 量。
S
二、光度学有关物理量