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              什么是光度學?光度學包含哪些基本光學量?

              什么是光度學?光度學是光學中研究光的輻射、吸收、照射、反射、散射、漫射等有關光的度量的學科,主要包括光源基本光學量光強、光通量、亮度、照度等的光學量值的研究與分析。本文對光度學的概念及光度學的基本光度量進行了簡要的介紹,感興趣的朋友可以了解一下!

              光度學的光學量

              什么是光度學?

              光度學是光學中研究光的輻射、吸收、照射、反射、散射、漫射等有關光的度量的學科。光度學研究是從輻射的角度對圖像進行分析和度量,用光度學對于人眼所見的圖像進行度量,結合人眼的視覺特征來確定光的度量及所使用的單位。使用光電器件接受圖像信息時,亮度刺激由輻射強度和接受器件的敏感特性共同決定,此時往往把電磁輻射作為純物理現象來研究,應采用輻射量量值系統;通過人眼觀察圖像或景物時,人們往往只關心輻射強度和人眼光敏感特性共同作用的效果,即視覺系統受刺激的程度,需要采用光學量量值系統。


              光度學包含哪些基本光學量?

              1.可見光范圍

              作為能量和信息的載體,電磁輻射的波譜范圍很廣,可見光是電磁光譜中非常小的一部分。要嚴格定義可見光的波長范圍是困難的,一般說來,可以取380nm-780nm波長之間,其中紅色光線有最長的波長,而紫光線的波長最短,如下圖所示。然而,當光很強時,人眼又在暗適應的情況下,可感受的波長至少可擴大到 350nm-900nm。有時在色度學計算中,取400nm-700nm,也可以得到一定的精度,不同波長的可見光作用于視覺系統時,不僅會產生不同的顏色感覺,還會產生不同的亮度感覺。

              可見光

              實際中,見到單色的機會很少,所見到的光都是混合光。一定成分的混合光,有一種確定的顏色與之對應;但反過來,一種顏色并不只對應一種光譜組合。兩種光譜成分完全不同的混合光,有可能引起同樣的顏色感覺。這種現象在在色度學中被稱為“同色異譜”。

              2.光強

              設某個點光源向各個方向都均勻輻射,則光強可定義為發射到單位立體角dΩ的光通量dΦ的比值,即I=dΦ/dΩ。光強I的單位為坎(cd);Ω的單位為球面度(sr);Ф為光通量,單位為流明(lm)。

              光強表示光源在給定方向上的發光強度,單位為坎,坎定義為:光源發出頻率為540x1012Hz的單色輻射光,且在此指定方向上的輻射強度為1/683W/sr,W為能量單位,由于點光源向四周均勻輻射,而球心對球面總立體角有4π球面度,所以I=Φ/4π。1cd光強的點光源發出的總光通量為4πlm。

              3.光通量

              光源以電磁波的形式輻射出的光功率稱為光通量。光通量是用于度量可見光對人眼的視覺刺激程度的量,與輻射度量中的輻通量對應,單位為流明(lm)。單位流明定義為:發光強度為1cd的均勻點光源在一球面立體角內發射的光通量,即1lm=1cd*sr。流明的測量常以人眼的光感覺來度量其輻射功率。人眼對不同波長、相同輻通量的可見光的敏感程度不同,這表明人的視覺系統對不同波長可見光有不同的相應靈敏度,稱為光譜光效率函數。觀察場明暗程度不同時,人眼光譜敏感特性稍有不同。國際照明委員會(CIE)根據實驗確定兩種光譜光效率函數:明視覺光譜光效率函數V(λ)和暗視覺光譜光效率函數V'(λ),函數曲線如下圖所示,這里函數值已經歸一化。

              光譜光效率函數

              其中,是在亮視場觀察時,最敏感波長為555nm;是在暗視場觀察時,最敏感波長為607nm。

              對于單一波長的光源來講,光通量Φ與輻射功率的關系為:

              Φ=kP(λ)V(λ)

              式中k=683lm/W,P(λ)為光源輻射功率的波譜分布。在可見光范圍內對所有波長求和,即為光源的光通量:

              光源的光通量

              式中積分的△范圍為可見光范圍,即△=380nm~780nm。

              4.亮度

              亮度B是發光面的明亮程度的度量,決定于單位面積的光強。光可以從一個面光源直接輻射,也可以由入射光照射下從單一表面反射出來或者是某光源經介質透射出來。從某一角度α去看發光面S,如下圖所示,亮度與該角度的光強Iα成正比,與所見的面積Scosα成反比。其亮度定義為:β=Iα/lScosα。In為S發光面法線方向的發光強度,Iα為S發光面在指定方向的發光強度,α為該方向與法線的夾角。在任何方向看到的Iα越大或Scosα越小,則亮度B越大,即明亮程度越高,按前述的理想漫射的面光源,即光強按余弦規律分布,則:

              亮度計算公式

              也就是說,理想漫射的面光源的亮度余方向角度α 無關。亮度的單位是坎每平方米,cd/m2。

              發光面的視在面積

              5.照度

              照射在單位面積上的光通量就是照度E,即E=Φ/S,單位為勒(lx),lx定義為在1m2的面積上照有1lm的光通量。照度與成像的好壞有很大關系,為了得到良好的圖像,常用強光來照射。由于光強I=Φ/Ω,而立體角Ω又和球半徑r有關,這樣照度E定義為:E=Φ/S=I/r2,即當光強I一定時,照度與距離平方成反比。光源為平行光束時,照度和距離無關。

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