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1.光度学基本概念光度学基本概念发布于:2009-9-71辐射通量研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为''辐射度学〃。
单位时间内通过某一截面的辐射能即为辐射通量，又称辐射功率（①。
，单位为瓦。
其中波长为人的辐射通量①」㈤与人值有关，总的辐射能量可以用下式计算：2光视效率函数人眼能响应的可见光部分只是电磁辐射的一小段（380nm〜780nm）,而人们最关心的也是这段的辐射带给人眼的''明亮"和"颜色"的感觉。
然而，各个波长的光给人眼带来的''明亮〃的感觉并不一致，而且这种视觉反应因个体的差异而有所不同。
为了统一度量便于科学、工业等的交流,CIE（国际照明委员会）在大量心理学、物理学实验的基础上，总结出了光视效率函数。
图1.1是明视觉下的相对光视效率函数曲线，以VS）表示，该曲线中，555nm 即黄绿色时的光视效率最高，记为1。
在中间视觉和暗视觉下，相对光是效率函数曲线左移。
图1： CIE 明视觉光视效率（v （A ））曲线研究光的测试、计量和计算的学科成为''光度学〃，它以人眼与电磁辐射的交互作用为基础，所量测的不是纯粹的 物理量，而是一种心理物理量。
3光通量光通量①是辐射通量以光谱光视函数V （入）为权重因子的对应量。
设波长为人的光的辐射通量为①e （入）。
则 对应波长的光通量为:式中Km 为比例系数，是波长为555nm 的光谱光视效率，也叫最大光谱光视效率，由①e 和①的单位决定。
光通量的SI 单位为流明，Km = 683流明/瓦。
复色光的光通量是对所有波长的光通量求和:r 79：i『用0我飞户㈤血二双％肛救力⑪血（3） 4发光强度发光强度表示在指定方向上光源发光的强弱，它可用点光源在单位立体角中发出的光通量的数值来量度，可 表达为:(4)以㈤二心孙巳⑷ （2）式中dQ是点光源在某一方向上所张的立体角元。
在光度学中是没有“光强”这样一个概念的。
常用的光学量概念有发光强度、光照度、光出射度和光亮度。
“光强”只是一个通俗的说法，很难说对应哪一个光度学概念。
以上所说的几个概念都是有严格的物理定义的：发光强度：光源在单位立体角内发出的光通量，单位是坎德拉，即每球面度1流明。
光照度：被照明面单位面积上得到的光通量，单位是勒克斯，即每平方米1流明。
光出射度：光源单位面积上发出的光通量，单位与光照度相同。
光亮度：单位面积上沿法线方向的发光强度，或称单位面积在其法线方向上单位立体角内发出的光通量，单位是尼特，即每平方米每球面度1流明。
由于发光强度、光亮度与方向有关，容易推导出：各个方向上光亮度相同的光源其发光强度是方向的余弦函数，在法线方向上发光强度最大，称为余弦辐射体，也叫朗伯光源。
各个方向上发光强度都相等的光源其光亮度就是不等的。
发光强度、光出射度和光亮度都是表示光源的发光的发光特性的。
楼上所说考虑太阳到地球距离的平方是将太阳当成点光源，利用地面上的照度计算太阳的发光强度。
而把太阳朝向地球的这一面作为一个面光源，再除以这个面积就是太阳在与地球连线方向的光亮度。
当然这与太阳直接发光的发光强度或光亮度相比是有下降的，因为太阳光经过大气还要衰减的。
这些光学量都用到光通量，光通量是与辐射能通量相对应的光学量，因为光是一种电磁辐射。
不同波长的电磁波1瓦的辐射能通量所相当的光通量是不一样的，换算到光通量要考虑人眼的光谱灵敏度曲线，即人眼对不同波长同样的辐射能通量所感受到的光是不一样的，如红外光、微波、紫外光等人眼是看不见的，而400nm到760nm波长的可见光是人眼能看得见的。
在物理光学中也提到“光强”，是用麦克斯韦方程组解出光的电矢量，电场强度的平方就是物理光学中的光强，主要用于计算干涉、衍射效应得到的图形。
在光学各相关学科中光强度是一个比较含糊的概念，不同的分支有不同的说法，有的等同于发光强度，有的等同于光照度，有的等同于光亮度。
工程光学笔记总结一、几何光学基本定律与成像概念。
1. 直线传播定律。
- 光在均匀介质中沿直线传播。
例如小孔成像现象，就是光直线传播的体现。
- 应用：针孔相机的原理就是基于光的直线传播，光线通过小孔在成像面上形成倒立的实像。
2. 独立传播定律。
- 不同光线在空间相遇后互不干扰，各自沿原方向传播。
- 例如多束光在空间交叉时，每束光的传播路径不会因为其他光线的存在而改变。
3. 反射定律。
- 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内；反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角，即i = i'。
- 在平面镜成像中，像与物关于镜面对称，这是反射定律的重要应用。
4. 折射定律。
- n_1sinθ_1=n_2sinθ_2，其中n_1、n_2分别是两种介质的折射率，θ_1是入射角，θ_2是折射角。
- 全反射现象：当光线从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角θ_c=arcsin(n_2)/(n_1)时，发生全反射。
光纤通信就是利用了全反射原理，光在光纤内部通过不断全反射来传输信号。
5. 成像概念。
- 物点发出的光线经光学系统后，重新会聚于一点（实像）或光线的反向延长线会聚于一点（虚像）。
- 像的大小、正倒、虚实等性质取决于光学系统的特性和物像之间的相对位置。
二、理想光学系统。
1. 基点和基面。
- 焦点（F,F'）：平行于光轴的光线经光学系统后会聚（或其反向延长线会聚）的点。
- 主点（H,H'）：物方主点和像方主点，通过主点的光线方向不变。
- 节点（N,N'）：通过节点的光线，其出射光线与入射光线平行。
- 焦平面：过焦点且垂直于光轴的平面。
- 主平面：过主点且垂直于光轴的平面。
2. 成像公式。
- 高斯成像公式(1)/(l')+(1)/(l)=(1)/(f)，其中l为物距，l'为像距，f为焦距。
- 牛顿成像公式xx' = f f'，其中x为物点到物方焦点的距离，x'为像点到像方焦点的距离。
光度学的几个基本概念0、前言经常发现一些爱好者对对光度学的一些基本概念比较模糊，比如到底什么是亮度？衡量亮度的单位是什么？如何测量亮度？本文将试图以不失严格性的情况下尽量通俗的回答这些问题，因此，文中列举了大量的例子，同时给出四个量之间的关系和转换算法，这也是大多数光学书里所没有的。
光度学与光相关的常用量有4个：发光强度、光通量、照度、亮度。
这4个量尽管是相关的，但为不同的，不能相混。
正像压力、重力、压强、质量是不同的物理量一样。
1、发光强度（I、Intensity），单位坎德拉，即cd。
定义：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)，解释：发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。
这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。
可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。
发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。
现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。
之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，现在LED都很厉害了，但还是沿用原来的说法。
用发光强度来表示“亮度”的缺点是，如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。
因此，购买LED的时候不要一味追求高I值，还要看照射角度。
很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的，这尽管对LED手电有用，但可观察角度也受限。
另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。
0、前言
经常发现一些爱好者对对光度学的一些基本概念比较模糊，比如到底什么是亮度？衡量亮度的单位是什么？如何测量亮度？
本文将试图以不失严格性的情况下尽量通俗的回答这些问题，因此，文中列举了大量的例子，同时给出四个量之间的关系和转换算法，这也是大多数光学书里所没有的。
光度学与光相关的常用量有4个：发光强度、光通量、照度、亮度。
这4个量尽管是相关的，但为不同的，不能相混。
正像压力、重力、压强、质量是不同的物理量一样。
1、发光强度（I、Intensity），单位坎德拉，即cd。
定义：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)，
解释：发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。
这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。
可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。
发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。
现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。
之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，现在LED都很厉害了，但还是沿用原来的说法。
用发光强度来表示“亮度”的缺点是，如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。
因此，购买LED的时候不要一味追求高I值，还要看照射角度。
很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的，这尽管对LED手电有用，但可观察角度也受限。
另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm 的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。
之所以用发光强度来表示手电或LED，是因为在相同距离下对被照射地的照度
是与这个成正比的。
特别的说，距离1m的lx就是cd值。
但是，很多场合下我们需要照射面积大一些，所以只用发光强度这一特性还不能全面反应手电的能力。
比如，同样的筒身，换个大头（大反光杯）则I值马上增大许多。
因此，很多情况下我们用光通量（单位流明，见下）来表示手电了。
以上我们说“亮”和“亮度”时带了引号，是因为这是我们常规说的亮度，并非光度学严格意义上的亮度，这一单位后面会展开。
常见光源发光强度（cd）：
太阳，2.8E27
高亮手电，10000
5mm超高亮LED，15
2、光通量（F，Flux），单位流明，即lm。
定义：光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量
解释：同样，这个量是对光源而言，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。
光源的光通量越大，则发出的光线越多
对于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则 F = 4πI。
也就是说，若光源的I为1cd，则总光通量为4π=12.56 lm。
与力学的单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。
要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。
要知道，光通量也是人为量，对于其它动物可能就不一样的，更不是完全自然的东西，因为这种定义完全是根据人眼对光的响应而来的。
人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。
对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683 lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683流明。
这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。
对于其它颜色的光，比如650nm的红色，1W的光仅相当于73流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。
对于白色光，要看情况了，因为很多不同的光谱结构的光都是白色的。
例如LED的白光、电视上的白光以及日光就差别很大，光谱不同。
至于电光源的发光效率，是另外一个相关的话题，是说1W的电功率到底能转
化成多少光通量。
如果全部转换成555nm的光，那就是每瓦683流明。
但如果有一半转换成555nm的光，另一半变成热量损失了，那效率就是每瓦341.5流明。
白炽灯能达到1W=20 lm就很不错了，其余的都成为热量或红外线了。
测量一个不规则发光体的光通量，要用到积分球，比较专业而复杂。
常见发光的大致效率（流明/瓦）
白炽灯，15
白色LED，20
日光灯，50
太阳，94
钠灯，120
3、光照度（E，Illuminance），单位勒克斯即lx（以前叫lux）。
定义：1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度
解释：光照度是对被照地点而言的，但又与被照射物体无关。
一个流明的光，均匀射到1m2的物体上，照度就是1 lx。
照度的测量，用照度表，或者叫勒克斯表、lux表。
事实上，照度是最容易测量的了（相对其它三个量），照度表很便宜就可以买到（几百元）。
为了保护眼睛便于生活和工作，在不同场所下到底要多大的照度都有规定，例如机房不得低于200 lx。
阳光下的照度是自然界里面很大的也很常见的了，为11万lx左右（自己实测）。
我刚才测量了一下，房间是3.8mx6.5m，有12个20W的日光灯管，桌面照度为400勒克司。
常见照度（勒克司）：
阳光直射（正午）下，110,000
阴天室外，1000
商场内，500
阴天有窗室内，100
普通房间灯光下，100
满月照射下，0.2
4、一个综合计算的例子。
一个普通40瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10流明，因此可以发出400流明的光。
我们可以认为灯泡在空间上发光是均匀的，那么距离该灯泡1米处，
其照度为400/12.56=32勒克司。
其中12.56 = 4π，就是半径1米的球体的表面积（已经假设400流明的光是均匀分布在这个球体上的）。
再假设被照射物体是某种绿色漫反射的，反射率是15%，那么，这个绿色物体被照射后就成为被动发光的，其表面亮度是15% * 32 / π= 1.5尼特。
5、Q&A
问1、如何把LED的光会聚到一点？
答1，这是不可能的。
光学上有个定律，叫做像的亮度永远不大于光源的亮度。
LED是有发光面积的，因此有亮度，要是把全部或者大部分光会聚成很小的区域，其亮度就超过LED本身的亮度了，因此是不可能的。
为了尽可能的会聚，只能增大反光碗/聚光镜的尺度。
用组合透镜或者其它办法无济于事。
问2，如果有一个电光源，可以把全部的电功率转化成白色的可见光，理论上的效率有多高呢？
答2，上面已经说过，要根据白色光的光谱而定。
对于太阳光来讲，为94流明/瓦。
CIE1931色度系统的光效是很差的，因为红色选择了700nm的长波。
相比之下，CRT电视或者是LED 电视的光效就高得多，为300流明/瓦。
问3，照度和被照物体的亮度有什么关系？
答3，亮度=反射率*照度/π
问4，激光为什么亮度高？
答4，激光是在两端严格平行的谐振腔内多次谐振而发射出来的，因此平行度非常高，发散角非常小。
又因为亮度是单位立体角内所发出的光流，因此作为分母的立体角度就很小，亮度自然就高了。
高亮度的激光体现在可以传播非常远而不发散，或者在近处可以会聚成非常小的光斑。
问5，如何测量手电或者LED的发光强度？
答5，在黑暗中把照度表的探头放到地上，距离1米处的把手电或LED向下照射测得照度的勒克司值，就是其发光强度的cd值。
问6，如何用照度计测量亮度？
答6，亮度计和照度计是两个东西，不能直接替代的。
亮度计是测量发光体的亮度的，而照度计是测量被照射地点的照度的。
但是，如果想知道比较大一些面
积的发光体比如灯箱的亮度，同时这个物体触手可得，那么可以用照度计的探头直接贴在发光体上，读出勒克司值后再乘上一个系数，就是亮度的尼特值。
问7，如何测量一个灯泡的发光效率？
答7，可以用照度表，黑天在室外找一个相对较暗且空旷的地点，需要一个比较稳定的电源和照度表。
空旷的目的是不要有反射光照射到照度表上，因此测试时身体尽量远离灯泡和照度表，照度表表头距离灯泡中心1m处测得照度值为E，则
效率= 4 * π* E / N，结果单位是流明/瓦，其中N为灯泡功率
例如灯泡为N=40W，读数为E=35.0 lx，那么效率就是12.56 * 35 / 40 = 11流明/瓦。
