光學(xué)物理量

1、光度學(xué)與光相關(guān)的常用量有4個(gè)：發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度、亮度。這4個(gè)量盡管是相關(guān)的，但為不同的，不能相混。正像壓力、重力、壓強(qiáng)、質(zhì)量是不同的物理量一樣。1、發(fā)光強(qiáng)度（I、Intensity），單位坎德拉，即cd。定義：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(qiáng)(度)，解釋：是針對(duì)點(diǎn)光源而言的，如果發(fā)光體相對(duì)較小也可以用。這個(gè)量是表明發(fā)光體在空間發(fā)射的會(huì)聚能力的?，F(xiàn)在LED也用這個(gè)單位來(lái)表示，比如某LED是150

2、00的，單位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。以前最早LED的發(fā)光強(qiáng)度比較弱，因此才用mcd表示，現(xiàn)在LED都很厲害了，但還是沿用原來(lái)的說法。這樣表示的缺點(diǎn)是，如果光通量相同的兩個(gè)LED（管芯相同），一個(gè)會(huì)聚的好，那么發(fā)光強(qiáng)度就高。因此，購(gòu)買LED的時(shí)候不要一味追求高I值，還要看照射角度。高I值的LED都是把鏡頭加長(zhǎng)照射角度變窄來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這盡管對(duì)LED手電有用，但可觀察角度也受限。另外，同樣的管芯LED

3、，直徑5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直徑10mm的14，因?yàn)橥哥R越大會(huì)聚特性就越好。之所以用發(fā)光強(qiáng)度來(lái)表示手電或LED，是因?yàn)樵谙嗤嚯x下對(duì)被照射地的照度是與這個(gè)成正比的。特別的說，距離1m的lx就是cd值。因此，我們可以直接用照度表來(lái)測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度。同樣，手電筒也用這個(gè)單位來(lái)表示亮與不亮，但這一特性不能全面反應(yīng)其特性，比如，同樣的筒身，換個(gè)大頭則I值馬上翻倍，因此更多的用光通量（流明，見下）來(lái)表示了。常見光源發(fā)光強(qiáng)度（cd）：

4、太陽(yáng)，2.8E27高亮手電，100005mm高亮LED，152、光通量（F，F(xiàn)lux），單位流明，即lm。定義：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量解釋：同樣，這是對(duì)光源而言，是描述光源發(fā)光總量的大小的，與光功率等價(jià)。對(duì)于各向同性的光，則F=4πI。也就是說，若光源的I為1cd，則總光通量為4π=12.56lm要知道，光通量是人對(duì)光總量多少一種度量，是人為為量，對(duì)于其它動(dòng)物可能就不一樣的，更不是完全自然的東西，因?yàn)檫@種定義完全

5、是根據(jù)人眼對(duì)光的響應(yīng)而來(lái)的。人眼對(duì)不同顏色的光的感覺是不同的，此感覺決定了光通量與光功率的換算關(guān)系。對(duì)于人眼最敏感的555nm的黃綠光，1W=683lm，也就是說，1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)為555nm的光，為683流明。這個(gè)是最大的光轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)槿搜蹖?duì)555nm的光最敏感。對(duì)于其它顏色的光，比如650nm的紅色，1W的光僅相當(dāng)于73流明，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)紅光不敏感的原因。對(duì)于白色光，要看情況了，因?yàn)楹芏嗖煌墓庾V結(jié)構(gòu)的光都是白色的。例如

6、LED的白光、電視上的白光以及日光就差別很大，光譜不同。至于電光源的發(fā)光效率，是另外一個(gè)相關(guān)的話題，是說1W的電功率到底能轉(zhuǎn)化成多少光通量。如果全部轉(zhuǎn)換成555nm的光，那就是每瓦683流明。但如果有一半轉(zhuǎn)換成555nm的光，另一半變成熱量損失了，那效率就是每瓦341.5流明。白熾燈能達(dá)到1W=20lm就不錯(cuò)了，其余的都成為熱量或紅外線了。測(cè)量一個(gè)發(fā)光體的光通量，要用到積分球，比較專業(yè)而復(fù)雜。常見發(fā)光的大致效率（流明瓦）白熾燈，15白色

7、LED，20日光燈，50太陽(yáng)，94鈉燈，1203、光照度（E，Illuminance），單位勒克斯即lx（以前叫l(wèi)ux）。定義：1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度解釋：光照度是對(duì)被照地點(diǎn)而言的，但又與被照射物體無(wú)關(guān)。一個(gè)流明的光，均勻射到1m2的物體上，照度就是1lx。照度的測(cè)量，用照度表，或者叫勒克斯表、lux表。事實(shí)上，照度是最容易測(cè)量的了（相對(duì)其它三個(gè)量），照度表很便宜就可以買到（幾百元）。為了保護(hù)眼睛便于生活和

8、工作，在不同場(chǎng)所下到底要多大的照度都有規(guī)定，例如機(jī)房不得低于200lx。陽(yáng)光下的照度是自然界里面很大的也很常見的了，為11萬(wàn)lx左右（自己實(shí)測(cè)）。我剛才測(cè)量了一下，房間是3.8mx6.5m，有12個(gè)20W的日光燈管，桌面照度為400勒克司。常見照度（勒克司）：陽(yáng)光直射（正午）下，110000普通房間燈光下，100滿月照射下，0.24、亮度（L，Luminance），單位尼特，即nt。定義：?jiǎn)挝还庠疵娣e在法線方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光

9、流解釋：這個(gè)是最容易被誤解的概念了。亮度是針對(duì)光源而言，而且不是對(duì)點(diǎn)光源，是對(duì)面光源而言的。無(wú)論是主動(dòng)發(fā)光的還是被動(dòng)（反射）發(fā)光的。亮度是一塊比較小的面積看起來(lái)到底有多“亮”的意思。這個(gè)多“亮”，與取多少面積無(wú)關(guān)，但為了均勻，我們把面積取得比較小，因此才會(huì)出現(xiàn)“這一點(diǎn)的亮度”這樣的說法。事實(shí)上，點(diǎn)光源是沒有亮度概念的。另外，發(fā)光面的亮度與距離無(wú)關(guān)，但與觀察者的方向有關(guān)。說一個(gè)手電很“亮”，并不是說該手電的亮度高，而是說其發(fā)光強(qiáng)度大。說一

10、個(gè)星星（點(diǎn)光源）很亮，并非是說其亮度高，而是說其星等高而已。亮度不僅取決于光源的光通量，更取決于等價(jià)發(fā)光面積和發(fā)射的會(huì)聚程度。比如激光指示器，盡管其功率很小，但可會(huì)聚程度非常高，因此亮度非常高。常見發(fā)光體的亮度（尼特）：紅色激光指示器，20000000000太陽(yáng)表面，2000000000白熾燈燈絲，10000000陽(yáng)光下的白紙，30000人眼能習(xí)慣的亮度，3000滿月表面，2500人眼能比較好的分辨出顏色的亮度，1滿月下的白紙，0.07

11、無(wú)月夜空，0.0001舉一個(gè)綜合計(jì)算的例子。一個(gè)普通40瓦的白熾燈泡，其發(fā)光效率大約是每瓦10流明，因此可以發(fā)出400流明的光。我們可以認(rèn)為燈泡在空間上發(fā)光是均勻的，那么距離該燈泡1米處，其照度為40012.56=32勒克司。其中12.56=4π，就是半徑1米的球體的表面積（已經(jīng)假設(shè)400流明的光是均勻分布在這個(gè)球體上的）。再假設(shè)被照射物體是某種綠色漫反射的，反射率是15%，那么，這個(gè)綠色物體被照射后就成為被動(dòng)發(fā)光的，其表面亮度是15%

12、32π=1.5尼特。問1、如何把LED的光會(huì)聚到一點(diǎn)？答1，這是不可能的。光學(xué)上有個(gè)定律，叫做像的亮度永遠(yuǎn)不大于光源的亮度。LED是有發(fā)光面積的，因此有亮度，要是把全部或者大部分光會(huì)聚成很小的區(qū)域，其亮度就超過LED本身的亮度了，因此是不可能的。為了盡可能的會(huì)聚，只能增大反光碗聚光鏡的尺度。用組合透鏡或者其它辦法無(wú)濟(jì)于事。問2，如果有一個(gè)電光源，可以把全部的電功率轉(zhuǎn)化成白色的可見光，理論上的效率有多高呢？答2，上面已經(jīng)說過，要根據(jù)白色光

13、的光譜而定。對(duì)于太陽(yáng)光來(lái)講，為94流明瓦。CIE1931色度系統(tǒng)的光效是很差的，因?yàn)榧t色選擇了700nm的長(zhǎng)波。相比之下，CRT電視或者是LED電視的光效就高得多，為300流明瓦。問3，照度和被照物體的亮度有什么關(guān)系？答3，亮度=反射率照度π問4，激光為什么亮度高？答4，激光是在兩端嚴(yán)格平行的諧振腔內(nèi)多次諧振而發(fā)射出來(lái)的，因此平行度非常高，發(fā)散角非常小。又因?yàn)榱炼仁菃挝涣Ⅲw角內(nèi)所發(fā)出的光流，因此作為分母的立體角度就很小，亮度自然就高了。

14、高亮度的激光體現(xiàn)在可以傳播非常遠(yuǎn)而不發(fā)散，或者在近處可以會(huì)聚成非常小的光斑。問5，如何測(cè)量手電或者LED的發(fā)光強(qiáng)度？答5，在黑暗中把照度表的探頭放到地上，距離1米處的把手電或LED向下照射測(cè)得照度的勒克司值，就是其發(fā)光強(qiáng)度的cd值。問6，如何用照度計(jì)測(cè)量亮度？答6，亮度計(jì)和照度計(jì)是兩個(gè)東西，不能直接替代的。亮度計(jì)是測(cè)量發(fā)光體的亮度的，而照度計(jì)是測(cè)量被照射地點(diǎn)的照度的。但是，如果想知道比較大一些面積的發(fā)光體比如燈箱的亮度，可以用照度計(jì)的探