光学中常用的物理量及其单位与换算

 光学中有很多物理量，很多人对相关的知识比较好奇。本文简单总结了光学中常用的物理量及其单位与换算。

光学中常用的物理量

1. 光通量(符号Φ,单位流明)

光通量(Luminous flux):即一光源单位时间内所放射出的光能量,为描述光源发光能力的基本量,单位为流明(Lumen,lm)。例如一个100W的灯泡可产生1,750lm,而一支40W冷白日光灯管则可产生3,150lm的光通量。根据定义, 1lm为发光强度1cd的均匀点光源在1球面度立体角内发出的光通量。即：

1lm = 1cd ·1sr

2. 发光强度(符号 I,单位坎德拉 cd)

发光强度(Luminous intensity, Candle power):发光强度简称光强,指光源在特定方向单位立体角(单位为sr)内所放射出来的光通量,也就是光源或照明灯具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度,单位为烛光(Candle or Candela, cd)。发光强度为1cd的光源可放射出12. 57lm的光通量。

3. 照度(符号 E,单位勒克斯 lux,尺烛光 fc)

照度(luminance):受照平面上接受光通量的密度,可用每一单位面积的光通量来测量。1lm的光通量均匀分布在1平方公尺(m2)的表面,即产生1勒克斯(Lux)的照度;1lm的光通量落在1平方英尺(ft2)的表面,其照度值为1尺烛光(Foot candle, fc)。

3. 辉度亮度 (符号 L,单位尼特 cd/m2,英尺朗伯 fl)

辉度或亮度(luminance, Brightness):当人眼目视某物所看到的,可以两种方式表达:一用于较高发光值者如光源或灯具,直接以其发光强度来表示;另一则用于本身不发光只反射光线者如:室内表面或一般物体,以亮度表示。亮度即被照物每单位面积在某一方向上所发出或反射的发光强度,用以显示被照物的明暗差异,公制单位为烛光/平方公尺(Candela/m2, cd/m2)或尼特(nit),英制单位为英尺朗伯(Foot lambert, fl)。

4. 反射率
    反射率(Reflectance or reflection factor):某表面的亮度取决于落于其上的光量与该表面所能反射光线的能力;其所能反射的光的多寡与分布形式则取决于该材料表面的性质,以反射光与入射光的比值来表示,称为该材料表面的反射比或反射率(%)。完美的黑色表面的反射比为0,亦即无论多少光落于其上皆无亮度产生而全被吸收;反之,完美白色表面的反射比为1(反射率100%,吸收率0%)。反射比的测量,首先,将照度计置于物体表面读出其表面照度值Ei(Incident light),再将照度值置于其上5-8cm(感光部分朝该表面且确定无阴影遮挡),即可测出其所反射的照度值Er(Reflected light),表面照度除反射照度所得之商即为该材料表面的反射比

光学中常用的物理量的单位及单位换算

1967年法国第十三届国际计量大会规定了以坎德拉、坎德拉/平方米、流明、勒克斯分别作为发光强度、光亮度、光通量和光照度等的单位,为统一工程技术中使用的光学度量单位有重要意义。

坎德拉(candela)的定义:在101325N/m2牛顿的标准大气压下,面积等于1/60cm2的绝对“黑体”(即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体),在纯铂(Pt)凝固温度(约2042K,或1769℃)时,沿垂直方向的发光强度为1坎德拉(cd)。并且,烛光、国际烛光、坎德拉三个概念是有区别的,不宜等同。从数量上看,60 坎德拉等于58. 8国际烛光,亥夫纳灯的1烛光等于0. 885国际烛光或0. 919坎德拉。

这种定义是以纯铂在凝固点下的光谱成份为基点的,要对其他光辐射进行测量,就要换算到相应的光谱成份,还需相应的视见函数值,不易准确,另外这种定义也没有明确规定最大光功当量K max之值,影响光度学和辐射度学之间的换算。

1979年第16届国际计量大会通过决议,废除上述坎德拉的定义,并规定:

坎德拉是发出540x1012Hz频率的单色辐射源在给定方向上的发光强度,该方向上的辐射强度为(1/683)W/sr。

坎德拉是国际单位制的基本单位(旧称“烛光”,俗称“支光”)。规定：

有了发光强度单位及发光强度与光亮度、光通量、光照度间的关系,光亮度、光通量和光照度的单位也就确定了。

自然光的照度在不同光线情况下为:

晴天阳光直射地面照度约为100000lx

晴天背阴处照度约为10000lx

晴天室内北窗附近照度约为2000lx

晴天室内中央照度约为200lx

晴天室内角落照度约为20lx

阴天室外50—500lx

阴天室内5—50lx

月光(满月)2500lx

日光灯5000lx

电视机荧光屏100lx

阅读书刊时所需的照度50-60lx

在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx

晴朗月夜照度约为0. 2lx

黑夜0. 001lx