光度学量

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第一章 光电检测基础
1.3 光度的基本物理量
本专题学习要求:
1.掌握光度学的基本物理量
2.了解光度学中各物理量之间的关系
定义
光度学(Photometry)是研究可见光辐射强弱的
学科,可见光度学实质上是辐射度学的一部分。
光度学适用于波长在0.38μm~0.78μm范围内的电
磁辐射-可见光波段,它使用的参量称为光度学量。
以人的视觉习惯为基础建立。
光度学量描述光辐射能为人眼接受所引起的视觉
刺激大小的强度,是生理量。
人眼结构
人眼感光细胞
人眼的视觉细胞分为两种,它们分别是锥体细胞
和杆状细胞。
锥体细胞负责感受色彩,它分为视红锥体细胞、
视绿锥体细胞和视蓝锥体细胞。
杆状细胞负责感光,它对光的灵敏度比锥体细胞
强很多。
人对不同波长光的感受
人的视觉神经系统对各种不同波长的光的感
光灵敏度是不一样的,对绿光最灵敏,对红光、
蓝光灵敏度要低得多。
国际照明委员会(CIE)根据对许多人的观
察结果,用平均值的方法,确定了人眼对各种波
长光的平均相对灵敏度,称为“标准光度观察者
”的光谱光视效率或称视见函数
国际照明委员会
光通量V和辐射通量e可通过人眼视觉特性进行转换,即
V ( )  KmV ( )e ( )
式中,V()是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率(或称视见函数)
图给出人眼对应明视觉和暗视觉的视见函数。
暗视觉
1.0
明视觉
0.8
V
¹âÊÓЧÂÊ
'
V
0.6
0.4
0.2
0.0
400
500
600
²¨ ³¤ (nm)
700
800
曲线V(λ)对应于亮适应条件下观察到的
明视觉的不同波长下的灵敏度,而V’(λ)则
是完全暗适应条件下观察到的暗视觉的灵敏度
曲线。
这可以理解为白天和夜间人眼的光谱光视
效 率 是 不 同 的 。 V(λ) 的 峰 值 在 555nm 处 ,
V’(λ)的峰值在 507nm处。
光度学量
物理量名称
V ( )  KmV ( )e ( )
符号
定义式
单位
光量
Qv
Qv=v dt
光通量
v
v=Iv dω
lm(流明)
光出射度
Mv
Mv=dv/dA
lm/m2 (流明/米2)
基本量
cd坎德拉(流明/球
面度)
发光强度
亮度
照度
Iv
Lv
Lv=dIv/(dAcos)
Ev
Ev=dv/dA
lms(流明秒)
cd/m2(坎德拉/米2)
lx勒克斯(流明/米2)
光量 Qv
光量有时也称为光能,是人眼可见的那部分
辐射能,是光通量Φ在可见光范围内对时间的积
分:
Qv=v dt
光量的单位为流明•秒(lm•s)。
光通量 v
光通量是单位时间内发射(传输或接收) 的光能,即
光通量是光能的时间分辨率。由于光度量是人眼对相应
辐射度量所受到的视觉刺激值, 而评定此刺激值的基础
是光谱光视效率V(λ), 即人眼对不同波长的光能量产
生感觉的效率。光谱辐射通量为Φe(λ)的可见光辐射
,所产生的视觉刺激量,即光通量为:
Φv(λ) =K(λ) Φe(λ)= Km V(λ) Φe(λ)
式中,K(λ)为辐射度量与光度量之间的比例系数。等
号左边Φv 是光通量,其单位是流明(lm);等号右边
的Φe(λ)是辐射通量,单位是瓦(W),所以K(λ)的
单位为流明/瓦
K(λ)峰值记为Km ,对于明视觉Km=683 lm/W。它表
明在波长555nm处,即人眼光谱光视效率最大(V(λ)=1
)处,光辐射产生光感觉的效能为:1W的辐射能通量产
生 的 光 通 量 为 683 lm ; 换 句 话 说 , 此 时 1lm 相 当 于
1/683W。
总光通量与辐通量之间的关系为:

Φv = Km
780
380
Φe(λ)V(λ)dλ
光出射度 Mv
光源表面给定点处单位面积向半球面空间内发
出的光通量,称为光源在该方向上的发光强度,计
量单位为单位为流明每平方米(lm/m2 ),其表达式
为:
Mv=dv/dA
式中,dΦv为给定点处的面元dA发出的光通量。
发光强度 Iv
光源在给定方向上单位立体角内所发出的
光通量,称为光源在该方向上的发光强度:
d v
Iv 
d
式中dΦv为光源在给定方向上的立体角元
dω内发出的光通量。
发光强度的单位为坎德拉 ( Candela,
记作cd)。坎德拉是国际单位制中7个基本单
位之一。其定义为:坎德拉(cd)是一光源
在给定方向上的发光强度。该光源发出频率
为540×1012 赫兹的单色辐射,且在此方向上
的辐射强度强度为1/683瓦特每球面度。
亮度 Lv
光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强
度dIv与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面
积之比,称为光源在该方向上的亮度:
Lv 
dIv
dA×cos 
式中,θ为给定方向与面元法线间的夹角。亮度的法
定计量单位为坎德拉每平方米(cd/m2)。
照度 Ev
被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称
为该点的照度:
Ev=dv/dA
式中,dΦv 为给定点处的面元dA上的光通量。照度的
法定计量单位为勒克斯(lx)(lm/m2)。
照度和亮度的区别
不要把照度跟亮度的概念混淆起来。它们
是两个完全不同的物理量。照度表征受照面的
明暗程度,照度与光源至被照面的距离的平方
成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照
射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源
与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在,那么
亮度值与二者间距离无关。
辐射度学和光度学
区别:
1.适用范围
辐射度学适用于整个电磁波谱。
光度学适用于可见光波段。
2.参量性质不同
辐射度学量是客观物理参量。
光度学量生理量,由人眼感觉确定。
联系:
1.都是描述光辐射的强弱。
2.所用物理符号一一对应。

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