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光通量與光強(qiáng)度什么關(guān)系?光源光通量怎么測(cè)量?

光通量與光強(qiáng)度是光源兩個(gè)重要的參數(shù),其中光通量表示光源的輻射功率的物理量,光強(qiáng)度表示光源輻射強(qiáng)弱的物理量。那么,光通量與光強(qiáng)度什么關(guān)系?光源光通量怎么測(cè)量?本文為大家做了介紹,對(duì)此感興趣的朋友可以了解一下!

光通量與光照度

什么是光通量?

1.光通量的定義

光通量Ф:度量光源在單位時(shí)間內(nèi)向某立體角內(nèi)輻射的相對(duì)視見(jiàn)率的光能量,即人眼所能感覺(jué)到的光的輻射功率(輻射能量流速率)的物理量。

Φ=I·Ω

即單位時(shí)間某立體角內(nèi)的光輻射能量與相對(duì)視見(jiàn)率的乘積,亦即單位時(shí)間某立體角內(nèi)各波段的輻射能量與該波段相對(duì)視見(jiàn)率的乘積之和。

2.光通量的單位

(1)光通量的單位為流明lm(lumen):發(fā)光強(qiáng)度為1cd且各方向發(fā)光強(qiáng)度均相同的點(diǎn)光源,在1球面度的單位立體角內(nèi)所發(fā)射出的光通量為1流明=1坎德拉·球面度,即1lm = 1cd·sr。

1cd點(diǎn)光源的總光通量為4π流明(因空間立體角共有4π球面度)。

若光源為均勻發(fā)光體,則該光源總光通量中Φ總為:

Φ=Ι·Ω=4π·Ι

(2)由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)之光的相對(duì)視見(jiàn)率不同,故此不同波長(zhǎng)之光的輻射功率相等時(shí),其光通量并不相等。

例如,波長(zhǎng)555nm與650nm之光的輻射功率相等時(shí),前者為后者光通量的10倍。

(3)不計(jì)相對(duì)視見(jiàn)率的輻射通量的單位為瓦(W)。

若某光源僅輻射555nm波長(zhǎng)的光能,且輻射能量為1瓦,則該光源所發(fā)出的光通量為683流明。(因1cd為1/683W/st,所以1W相當(dāng)于683cd·sr即683lm)。

顯然實(shí)際光源輻射的光譜絕非單一波長(zhǎng),而非555nm波長(zhǎng)之光的視見(jiàn)函數(shù)又小于1,所以實(shí)際光源的光通量一般遠(yuǎn)比683lm為小。

什么是光強(qiáng)度?

1.光強(qiáng)度的定義

(1)光強(qiáng)度:光源在一定方向范圍內(nèi)輻射出的可見(jiàn)電磁輻射能——光能的強(qiáng)度,即發(fā)出之可見(jiàn)光輻射的強(qiáng)弱程度,為表示光源發(fā)光特性的物理量。

(2)過(guò)去以光通量為基準(zhǔn)定義發(fā)光強(qiáng)度I=dΦ/dΩ。

光源在某方向上的發(fā)光強(qiáng)度:光源或光源的一部分發(fā)光面在某一方向上“立體角元”內(nèi)所發(fā)射的光通量除以該“立體角元”,為該光源在這一方向上的發(fā)光強(qiáng)度(“立體角元“指垂直于光線方向的”面積元“對(duì)光源所張的立體角)。

一光源在某方向上微小立體角dΩ內(nèi)所通過(guò)的光通量dΦ與該立體角之比,稱為該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度。

若為均勻發(fā)光光源,則I=Φ/Ω。

(3)平均發(fā)光強(qiáng)度:光源發(fā)出的總光通量Φ總除以空間的總立體角4π,稱為該光源的平均發(fā)光強(qiáng)度。

1=Φ總/4π

(4)單位立體角中全部輻射通量:不計(jì)相對(duì)視見(jiàn)率(即不考慮人眼對(duì)色光的敏感差異)的光源輻射強(qiáng)度,稱為單位立體角中全部輻射通量。單位:瓦特每球面度W/sr。

2.發(fā)光強(qiáng)度的單位

光強(qiáng)度的單位為坎德拉cd(candela):一個(gè)光源發(fā)出頻率為540×1012赫茲的單色輻射時(shí)(折合波長(zhǎng)為λ=c/v=555.5nm),若在一定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683瓦特每球面度(W/sr),則此光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd(坎德拉為1979年10月16屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)制訂)。

1881年國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)定義:1/6英磅鯨腦油制成之蠟燭(07/8"),以120格令/小時(shí)(gr/h中g(shù)r為1粒麥粒重、1磅=7000gr)的速度燃燒時(shí),沿水平方向的發(fā)光強(qiáng)度為1燭光。

光通量與的光強(qiáng)度關(guān)系:

由于人眼對(duì)等能量的不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光輻射能所產(chǎn)生的光感覺(jué)是不同的,因此按人眼函數(shù)V(λ)來(lái)評(píng)價(jià)的輻射通量Φ(λ)即為光通量Φ,即:

光通量評(píng)價(jià)公式

式中:Km為明視覺(jué)的最大光譜光視效率函數(shù),亦稱為光功當(dāng)量,它表示人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm處光輻射產(chǎn)生光感覺(jué)的效能,按國(guó)家實(shí)用溫標(biāo)IPTS-168的理論計(jì)算,其值為680lm/w。

光度學(xué)中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度,單位為坎德拉(cd),它是國(guó)際單位制中7個(gè)基本單位之一。其定義為555nm的單色輻射在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W·sr時(shí),在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd。

光通量的單位為流明(lm),它是發(fā)光強(qiáng)度為1cd的均勻點(diǎn)光源在單位立體角(1sr)內(nèi)發(fā)出的光通量。

如果光源為點(diǎn)光源,并且是均勻發(fā)光體,那么光強(qiáng)(I)與光通量(Φ)符合距離反比平方定律。距離平方反比定律來(lái)自于點(diǎn)光源向空間發(fā)射球面波的特性,即點(diǎn)光源在傳播方向某點(diǎn)的輻照度與該點(diǎn)到點(diǎn)光源的距離平方成反比。

在任一錐立體角內(nèi),假設(shè)在傳輸路徑上沒(méi)有光能損失或分束,那么點(diǎn)光源向空間發(fā)出的輻射通量是不變的。然而位于球心的均勻點(diǎn)光源所張開(kāi)的立體角所截的表面積卻和球半徑的平方成正比,這樣在球面上的輻照度就和點(diǎn)光源到該面的距離平方成反比,即:Φ=4πI。

光源光通量的測(cè)量方法:

光源的發(fā)光強(qiáng)度是光度學(xué)中的基本量,而且由發(fā)光強(qiáng)度可以導(dǎo)出其他光度量。但要表征光源的特性,單以光源的發(fā)光強(qiáng)度來(lái)表示是不完全的,這是因?yàn)橐话愎庠丛诟鱾€(gè)方向上的的發(fā)光強(qiáng)度并不一致,故只有用總光通量來(lái)說(shuō)明更為合適。

對(duì)各向同性的點(diǎn)光源,其光通量Φ=4πI,所以只要測(cè)得發(fā)光強(qiáng)度,乘以4π,即為光通量Φ。但是實(shí)際光源都有一定的尺寸,而且在各個(gè)方向上又不均勻,故不能用Ф=4πI計(jì)算得到。

光通量的測(cè)量方法:在積分球內(nèi)用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測(cè)燈作比較測(cè)量,從而定出被測(cè)燈的光通量。

用積分球測(cè)量光通量,通常采用比較法(代替法),為此需要光通量標(biāo)準(zhǔn)燈。先將標(biāo)準(zhǔn)燈(其光通量為Φs)放入積分球內(nèi),點(diǎn)燃后,在窗口測(cè)得的照度Es應(yīng)符合下列式子:

照度Es計(jì)算公式

放入待測(cè)燈點(diǎn)然后,可測(cè)得的照度為Ec為:

照度為Ec計(jì)算公式

比較以上兩個(gè)式子,可得待測(cè)燈的光通量為:

光通量計(jì)算公式

采用比較法測(cè)量光通量可以大為減少由球壁漫反射層的不均勻性、球壁涂料和窗口材料的非中性(即涂料的漫反射比和窗口的透射比與波長(zhǎng)有關(guān))等因素造成的影響,但是不能消除由于標(biāo)準(zhǔn)燈的尺寸和結(jié)構(gòu)與待測(cè)燈的不相同而造成的對(duì)球內(nèi)壁漫射光的吸收情況不同的影響,也不能消除標(biāo)準(zhǔn)燈與待測(cè)燈的相對(duì)光譜功率分布及空間分布不同產(chǎn)生的影響等等,在測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮采取修正的辦法。

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