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1、光学、颜色、LED检测袁 奇 安姆特检测华东技术研发中心 http:/目 录 光的语言- The basis of photometry 通过颜色感知世界Colorimetry 灯具的生物安全性- Photobiological safety 整体式LED测量-Measurement of LED 整体式LED测量标准- Measurement standardPart 1 光度学基础安姆特检测华东技术研发中心 http:/光是什么？黑夜给了我一双黑色的眼睛，我却用他来寻找光明！人类要看见物体，就必须要有光。光提供了一个充满视觉信息的世界，只有从物体反射出来的光到达我们的眼睛，刺激视神经，我们
2、才能看到周围物体的形状和颜色。光是人类眼睛可以看见的一种电磁波 ，也称可见光谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱。光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性 ，称为波粒二象性。光是什么？l单色光-monochrome：单一波长（或频率）的光，不能产生色散。l复色光-polychromatic light：由几种单色光合成的光叫做复色光。l白光-white light：由各种可见光波长成分构成的复色光。l谱线宽度-spectral line width：一般将强度下降到最大值一半时所对应的 波长范围称为谱线宽度，用d表示，每条谱线的强度分布具有一定的波 长范围，范围越小，表示光的单色性越好
3、。实际上不存在理想的单色光 ，通常所谓的单色光指但谱线宽度d很小时的光。光辐射是什么？光辐射（optical radiation）按照电磁波长及人眼的生理视觉分为紫外光辐射（ultraviolet radiation）、可见光辐射（visible radiation）、红外光辐射（infrared radiation）。紫外光辐射（100-400nm）UVA：315-400nm，近紫外UVB：280-315nm，中紫外UVC：100-280nm，远紫外可见光辐射下限：360-400nm上限：760-830nm红外光辐射（780nm-1mm）IRA：780-1400nm，近红外IRB：1400-
4、3000nm，中红外IRC：3000nm-1mm，远红外光度学光度学（photometry ）是1760年由朗伯建立的，且定义了光通量、发光强度、照度、亮度等主要光学光度学参量，并用数学阐明了它们之间的关系和光度学几个重要定律，如照度的叠加性定律、距离平方比定律、照度的余弦定律等，这些定律一直没用至今，实践已证明是正确的。 在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学。光度学除了要定义一些物理量并确定相应的测量单位外，还要研究测量仪器的设计、制造和测量方法。对各种光源进行光度的特性测量广泛应用于光学工业、照明工业、遥感遥测、色度学和大气光学等领域。光的测量是一门基本学科，也需
5、要有广泛的基础知识。要进行光的测量，掌握光学方面的基本常识和概念、术语是必要的，测量光是一项挑战，尤其是决定测量什么和如何测量。立体角、球面度立体角stereoangle，是以锥的顶点为心，半径为r的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”。和平面角的定义类似。在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作d=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2；与此类似 ，定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作d=ds/r2；由此可得，闭合球面的立体角都是4。球面度steradian，是立体角的 国际单位 。它可算是三维的
6、 弧度 。其英文字（sr）是希腊语立体（stereos）和弧度（radian）的混合。辐射测定辐射测定（radiometry）是测量电磁辐射的科学，此测量所涵盖的光谱基于物理常数层面。我们所关心的辐射特性是辐射功率和它在空间及角度的分布，四个基本概念为：l辐射通量-radiant fluxl辐射强度-radiation intensity l辐射照度-irradiancel辐射亮度-radianceQe = e(t) dt辐射通量（e）：即辐射功率，是以辐射的形式发射、传播或接受的功率。SI单位为瓦特（watt，W）。辐射能量（Qe）：以电磁波或光子的形态发射、传播或接受的能量。辐射能量的SI
7、单位为焦耳（J）。e = e() d辐射测定光谱分布-spectral distribution：不同波长的单色光辐射通量在总辐射通量中的能量分布不同，单色光辐射通量与波长的函数关系称为光谱分布函数-e （）。单色光辐射通量-monochrome radiant flux （e） ：从物体表面单位面元辐射出在波长间隔d(, +d)内的辐射功率称为波长的单色光辐射通量。SI单位为Wm-1 。e =d e/de = e() d辐射测定辐射强度（Ie）：点辐射源或元量辐射在单位时间内在给定方向上单位立体角内辐射出的能量。在特定方向上的辐射强度是整个源在该方向上所发出的所有辐射线的功率总和（例如每立体
8、角的功率）。 SI单位为瓦特/球面度（W/sr）。Ie =d e/d一个置于各向同性均质介质中的点辐射源向所有方向发射的总辐射通量是e，则该点辐射源在各个方向的辐射强度是一个常量，与方向无关。Ie =e/4辐射测定辐射照度（Ee）：投射到单位接收面积的辐射照量。 辐射照度是一个从放射源向平面状物体照射时，每单位面积所得到的放射束数量的物理量。SI单位是瓦特/平方米 (W/m2)。辐射亮度（Le）：表示面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量 。可理解为辐射源在单位投影面积内的辐射强度。辐射亮度的SI单位为（W/m2sr）。Ee =d e/dALe =d e/（ddAcos ）光谱辐射测定光
9、谱辐射测定：是对在电磁波谱中某段波长的光能测量。光谱辐射亮度：特定光源的辐射亮度是一个定值，它是整个光谱段范围内所有能量的总和，对于特定波长的能力值可用光谱辐射亮度来测量。光谱辐射亮度的SI单位为（W/m2srnm）。光谱辐射照度：对照在单位面积上的特定波长的辐射通量的测定。光谱辐射照度的SI单位为（W/m2nm）。光度测定光度测定：电磁能量能以光的形式被人眼看见，所以光度测定是对电磁能量在心理和物理特性上的测定。“明亮”这个形容光线的词汇，定义了光度测定应根据人类的感知进行，是一个生理心理物理量！光度测定1942年，国际照明委员会（CIE）定义出人眼的平均敏感度后，光度测定成为一门新的科学，
10、CIE测定了大量人类样本的亮适用数据，汇编成CIE标准光度函数。光度测定的值与辐射测定的值相对应，对应关系为CIE的标准光视效率函数，可以把光视效率函数理解为接近人眼表现的一块滤镜的转换函数 。光谱光视效率某一光源的视亮度不仅取决于由它发出辐射的量，也与该光源的光谱组成以及观测者的视觉相应函数有关。由于人的视觉在不同的光的等级和不同观测者之间都存在差异，因此精确的光度测量需要有代表性的标准观测者的定义。CIE物理光度系统规定了用于光线辐射定量评定的程序，此定量的评定是根据两个标准观测者的光谱光视效率函数进行的，一个代表明亮环境下的明视觉，一个代表黑暗环境下的暗视觉。这两个函数与国际单位制光度测
11、量基本单位坎德拉联合使用，构成了一个能精确确定所有类型发光光源的光度量数值的系统，而该系统与发射辐射的光谱组成无关。光谱光视效率光谱光视效率- luminous efficiency ：人眼的视觉神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。对绿光最敏感，对红、蓝光灵敏度较低。另外，由于受生理和心里作用，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。CIE规定，不同波长的单色辐射通量之比为光谱光视效率，或称为“视见函数”，用V()表示明视觉视见函数（明亮环境），用V ()表示暗视觉视见函数（黑暗环境）。V() = em/ eCIE标准光度观测者试验，确定： = m=555nm时， V()=1； =
12、m=506-508nm时， V () =1；光谱光视效率光度测定光度测定包括四个概念：光通量、光强、照度、亮度光通量- luminous flux （ v）：指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。SI单位是流明（lm）。v = e() K( ) d光度测定光强- luminous intensity （Iv）：描述点光源发光强弱的一个基本度量。以点光源在指定方向上的立体角元内所发出的光通量来度量。 SI单位是坎德拉（cd）。1cd等于1流明每球面度，实际应
13、用时，1cd大致等于1烛光。照度 Luminosity（Ev） ：从同一方向看，在给定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照强度，指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示， SI单位为勒克斯(Lux,lx) ，即 1m/m2 。 1 勒克斯等于 1 流明的光通量均匀分布于 1m2 面积上的光照度。Iv =d v/dEv =d v/dA点光源：Ev = Iv cos/r2光度测定亮度 lightness（Lv）：亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发
14、光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）或叫做尼特（nit）。 亮度是人对光的强度的感受，也可理解为单位面积上的光强。Lv =d v/（ddAcos ）辐射度量和光度量辐射度量光度量名称符号单位名称符号单位辐射通量eW光通量vlm辐射强度IeW/sr光强Ivlm/sr，cd辐射照度EeW/m2光照度Ev1m/m2，lx辐射亮度LeW/m2sr光亮度Lvcd/m2，nit辐射度量和光度量的关系光谱光视效能- luminous efficacy ：描述某一波长的单色光辐射通量产生的光通量，即波长为的单色光，其单色光通量v与单色光辐射通量e之比定义为光谱光视效能，用K()表示明视觉光 谱光视
15、效能，用K()表示暗视觉光谱光视效能。 SI单位为lm/W。K() = v/ e= Km V() 设Km 为最大光谱光视效能，即Km = K(555)， K m = K (507)，Km = K(555)/V(555) =683 lm/W； K m = K (507)/ V (507) = 1700 lm/W； 辐射度量和光度量的关系辐射的光利用率（O）：可见光辐射区发射的辐射通量与总的辐射通量之商 。O= e() d / e() d 光源的发光效能（）：光源发出的光通量与所消耗的功率之商。单位为流明/瓦（lm/W） = v / P 曝辐射量、曝光量He = Eedt曝辐射量He：表面上一点处的辐射量是该点处的辐照度对时间的积分。单位是焦耳/平方米（J/m2）曝光量Hv：表面上一点处的曝光量是该点处的光照度对时间的积分。单位是勒克斯秒（lxs）Hv = Evdt光度测量基本法则在光度学和辐射度学中，通常都认为光沿直线传播，并遵从几何光学的定律 。距离平方成反比法则：点光源在某方向垂直于该方向的面积元上建立的照度与该光源在该方向的光强成正比，与点光源到面积元的距离成反比。E = I / d2 照度的余弦法则：点光源在某一面积
