根据光泽的定义,光通量的概念最关键:
1.什么是光通量?
我们知道,光的传播过程是能量的传播过程。光源向周围空间辐射不同波长的电磁波光波,在单位时间内通过某一面积的辐射能,称为通过该面积的辐射通量,它客观反映了光源辐射能量的多少。这一辐射通量中,包含了各种波长的电磁波,例如红外线,紫外线,可见光等。对于可见光,人眼对不同波长的可见光的敏感度不同,即不同波长但辐射量相同的光波,对人眼造成的亮度感觉不一样。如黄绿光最亮,红光和紫光让人感觉暗得多。人眼的这一特性称为光谱光视效率(Vλ)。由于人眼的这种特性,我们不能直接用光源的辐射通量来衡量可见光能的大小,而必须以人眼的光感觉为标准来评价辐射通量值,因而产生了一个新的物理量一光通量。
光通量指对人眼能产生视觉的辐射通量,是光源在单位时间内向周围空间辐射并引起光感觉的能量。光通量的单位是“流明”(1m),1960年第1l届国际计量大会决定其作为光通量的单位名称。“流明”(1m)是功率单位,等于辐射通量与光谱光视效率的乘积。流明与瓦的关系是:光源辐射的全是波长555纳米的黄绿光,其功率是l瓦,那么该光源辐射的光通量是683流明。
由于人眼对波长555纳米的黄绿光最敏感,其它波长的光引起人眼视觉亮度的敏感度都低于它,因此1瓦可见光辐射通量最多可产生683流明的光通量。l瓦光辐射如均匀地发出连续的可见光(380~780纳米),最多可得标准白光220流明。
2.什么是光源的发光强度?
我们通常把尺寸非常小的光源称为点光源,如白炽灯泡,球形金属卤化物灯,卤素灯等光源。我们用发光强度来描述点光源发光强弱的特性。
点光源的发光强度是点光源在给定的方向上,单位立体角内发出的光通量,用符号I表示。
在了解发光强度之前,首先弄清楚立体角的概念。
光源辐射出的光通量是在它周围的空间范围内传播的,因此,在计算光能前,必须确定光能传播的空间立体锥角的大小。如果以点光源所在的点为球心,作一个半径为r的球面,以球心为顶点的圆锥面在球面上截得的面积为s,见图示,由这个圆锥面和球面所包围的空间称为立体角,用符号Ω表示。
立体角不意图 立体角的大小为:Ω=s /r 2(球面度),Ω为立体角的大小,S为球面上的面积,r为球体的半径。 立体角的单位是“球面度”,用符号sr表示。它的规定是:一立体角顶点位于球心,它在球面上所截取的面积等于以球半径r为边长的正方形面积,那么这个立体角就是一球面度。
应注意,用上述公式计算立体角大小时,面积s可以是任意形状的,如圆形,正方形,异形等。
我们知道,半径为r的圆球面的面积等于4兀r2,所以整个空间的立体角为:
Ω=4兀r2/r2=4兀≈12.57球面度(sr)
了解立体角的概念之后,就可以确定点光源的发光强度与光通量的关系了。
假设一点光源在空间某方向上发出的光通量是中流明(1m),传播的立体角是Q球面度(sr),这个点光源在该方向上的光强度为:I=ф/Ω(坎德拉)。光强的单位是“坎德拉”,符号为cd,1坎德拉(cd)等于l流明(1m)/球面度(sr)。
光源在各个方向上发射的光通量通常是不均匀的,有的方向强,有的方向弱,因此,在提到光源光强时,应指明是哪一个方向上的光强度。通常用平均光强度来近似地表示光源的发光强弱。如果知道一光源发出的总光通量是ф流明,假定其均匀发光,该光源平均发光强度为:I=ф/4兀≈ф/12.57 (坎德拉)。
同样,如果知道了光源的平均发光强度,也可以求出它的总光通量。
例如:已知一光源其平均发光强度为100坎德拉,其发出的总光通量为:
ф=I×4丌≈100×12.57=1257(流明)
对于各个方向发出的光强度相同的点光源来说,流明的含义就是发光强度(cd)与相应的球面度(sr)的乘积;而发光强度也可以理解为光通量与相应球面度的比值。
3.什么是光源的光亮度?
当我们观察一些具有相同发光强度的光源时,感觉到发光体的发光面积越小,发光体越明亮。例如,同时观看同是40瓦的卤素灯和节能灯,卤素灯由于灯丝表面积很小,感到很刺眼,节能灯发光面积较大,就感觉光线柔和。因此,我们发觉发光体的明亮程度不仅与发光强度有关,而且与发光面积有关。对于具有一定发光面积的光源来说.仅知道发光强度不足以说明它的发光特性,于是引入一个新的物理量--光亮度。
在垂直于均匀发光表面的方向上,发光面积为s,发出的光强度为I,该发光面的光亮度为: L=I/S
式中,发光强度单位为坎德拉,发光面积单位为平方米,亮度单位为坎德拉每平方米(ed/m2)。原名称为“尼特”(nt),现已废止不用了。
光亮度是一个重要的物理量,因为它直接与人眼所感受的光源明亮程度有关。人眼习惯的光亮度值约为3000 cd/m2,当光源光亮度过度时,人眼会产生灼痛感。
一般面光源在不同的发射方向上具有不同的光亮度,但也有一些面光源其光亮度不随方向改变。如磨砂玻璃或乳白灯泡,它们在各个方向上的光亮度近似相等。具有这种特性的面光源称为“朗伯光源”或称其发光面为“余弦辐射面”。 |