光学基本知识

光学基本知识-照度

照度

照度(Luminosity)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，表示单位为勒[克斯](Lux,lx) ，即 1m/m2 。 1 勒[克斯]等于 1 流[明](lumen,lm)的光通量均匀分布于 1m2 面积上的光照度。照度是以垂直面所接受的光通量为标准，若倾斜照射则照度下降。

照度的计算

照度的计算方法，有利用系数法、概算曲线法、比功率法和逐点计算法等。

(一)利用系数法

1、利用系数的概念

照明光源的利用系数(utilization coefficient) 是用投射到工作面上的光通量( 包括直射光通和多方反射到工作面上的光通)与全部光源发出的光通量之比来表示，

即u=φe/nφ

利用系数u与下列因数有关：

1)、与灯具的型式、光效和配光曲线有关。

2)、与灯具悬挂高度有关。悬挂越高，反射光通越多，利用系数也越高。

3)、与房间的面积及形状有关。房间的面积越大，越接近于正方形，则由于直射光通越多，因此利用系数也越高。

4)、与墙壁、顶棚及地板的颜色和洁污情况有关。颜色越浅，表面越洁净，反射的光通越多，因而利用系数也越高。

2、利用系数的确定

利用系数值应按墙壁和顶棚的反射系数及房间的受照空间特征来确定。房间的受照空间特征

用一个“室空间比”(room cabin rate，缩写为RCR)的参数来表征。

如图8-12所示，一个房间按受照的情况下不同，可分为三个空间：最上面为顶棚空间，工作面以下为地板空间，中间部分则称为室空间。对于装设吸顶灯或嵌入式灯具的房间，没有顶棚空间；而工作面为地面的房间，则无地板空间。

室空间比 RCR=5hRC(l+b)/lb：

公式中

hRC，代表室空间高度；

l，代表房间的长度；

b，代表房间的宽度。

根据墙壁、顶棚的反射系数(参看表8-1)及室空间比RCR，就可以从相应的灯具利用系数表中查出其利用系数。

3、按利用系数法计算工作面上的平均照度

由于灯具在使用期间，光源本身的光效要逐渐降低，灯具也要陈旧脏污，被照场所的墙壁和顶棚也有污损的可能，从而使工作面上的光通量有所减少，所以在计算工作面上的实际平均照度时，应计入一个小于1的“减光系数”。因此工作面上实际的平均照度为

Eav=uKnφ/A

公式中：

u，代表利用系数；

K，代表减光系数(亦称维护系数)，参考值如表8-3所列；

n，代表灯的盏数；

φ，代表每盏灯发出的光通量；

A，代表受照房间面积。

为了对照度的量有一个感性的认识，下面举一例进行计算，一只100W的白炽灯，其

发出的总光通量约为1200Lm，若假定该光通量均匀地分布在一半球面上，则距该光源1m和5m处的光照度值可分别按下列步骤求得： 半径为1m的半球面积为2π×12=6.28 m2， 距光源1m处的光照度值为：1200Lm/6.28 m2=191Lux。 同理，半径为5m的半球面积为:2π×52=157 m2， 距光源5m处的光照度值为： 1200Lm/157 m2=7.64Lux。

生活场所中照度的标准

确定照度的原则

应根据工作、生产的特点和作业对视觉的要求确定照度；对于公共建筑还要根据其用途考虑各种特殊要求，如商场除要求工作面适当的水平照度外，还要有足够的空间亮度，给顾客一种明亮感和兴奋感，不同商品销售区，要求不同照度，以渲染促销重点商品；又如宾馆等建筑，常常运用照明来营造一种气氛，所使用的照度以至色表，就有特殊要求；象体育竞赛场馆，更需要很高的垂直面照度或半柱面照度，以满足彩色电视转播的要求和观众观看的清晰和舒适感。

确定照度的依据

（一） 识别对象的大小，即作业的精细程度；

（二） 对比度，即识别对象的亮度和所在背景亮度之差异，两者亮度之差越小，则对比度越小，就越难看清楚，因此需要更高照度；

（三） 其他因素：视觉的连续性（长时间观看），识别速度，识别目标处于静止或运动状态，视距大小，视看者的年龄等。

照度对工作、生产的影响

（一） 工业生产场所的照度将对产品的质量、差错率、废品率、工伤事故率有一定影响；

（二） 办公室、阅览、金融工作场地等的照度，对工作效率、阅读效率有很大关系；

（三） 以上两类视觉场所的照度不足，连续工作时会引起视觉疲劳，长时期将导致人眼视力下降以及头晕等心理或生理不适；

（四） 商场照度，除看清商品细部和质地外，还有激发顾客购买欲望，促进销售的作用。

下表中所列的是几种不同工作情况下的标准照度值：

工作性质或场所 照度（勒克司）

夏季中午在太阳能直接照射下 100，000

没有太阳的室外 10，000-1000

明朗夏天的室内 500-100

细小精致的工作（如修理钟表、雕刻制板、制图等） 100

使用危险性的小的带刃工具（削刀、钻、旋刀）的工作 100

在工作台上作细小精致的工作（如用缝纫机缝纫、书写等） 75

阅读、观看各种仪器所示的读数，纺织 50

走廊 10

楼梯 8

在满月底下 0.2

一般而言，居家空间到底适用何种光源，除依据室内的整体规划外，也应考虑用电之效率及各场所所需之应有照度。每一不同使用目的的场所，均有其合适的照度来配合。例如：起居间所需之照明照度为150－300Lux；一般书房照度为100Lux，但阅读时所需之照明照度则为600Lux，所以最好再使用台灯作为局部照明。

场所 照度（Lux）

书房、办公室 500－1000

客厅（不阅读书报） 150－300

浴厕、更衣室 200－500

餐桌 300－500

走廊、楼梯 35－75

电梯、走道 100－200

车库、仓储 30－75

一般情况：夏日阳光下为100000LUX；阴天室外为10000LUX；室内日光灯为100LUX；距60W台灯60cm桌面为300LUX；电视台演播室为1000LUX；黄昏室内为10LUX；夜间路灯为0.1LUX；烛光（20cm远处）10～15LUX。

照度参考表1

天气 照度LUX

晴天 30000~300000

阴天 3000

日出日落 300

月圆 0.3~0.03

星光 0.0002~0.00002

阴暗夜晚 0.003~0.0007

照度参考表2

室内场所 照度LUX

生产车间 10~500

办公室 30~50

餐厅 10~30

走廊 5~10

停车场 1~5

室内刚能辨别人脸的轮廓，照度为20LX，下棋打牌的照度为150LX，看小说约需250LX，即25瓦白炽灯离书30-50厘米，书写约需要500LX，即40瓦白炽灯离书30-50厘米，看电视约需30LX，用一支3瓦的小灯放在视线之外就行了。

保持合适的照度，对提高工作和学习效率都有很大的好处；在过于强烈或过于阴暗的光线照射下工作学习，对眼睛都是有害的。

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。为了解和使用便利，以下将有关知识做一简单介绍：

名称 单位 符号 定义

光强度 cd 坎德拉 (Candela)

I = F/Ω 光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。

光亮度 cd/m² 表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比。

光通量 lm 流明 (Lumen)

F 单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。

绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。

为表明光强和光通量的关系，发光强度为

1cd的点光源在单位立体角（1球面度）内

发出的光通量为1lm。

光照度 lx 勒克斯(Lux)

被光均匀照射的物体，距离该光源1米处，

在1m²面积上得到的光通量是1lm时，它的照度是1lux。

习称“烛光米”。

1. 烛光、国际烛光、坎德拉（candela）的定义

在每平方米101325牛顿的标准大气压下，面积等于1/60平方厘米的绝对“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获1769℃）时，沿垂直方向的发光强度为1 坎德拉。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。

2. 发光强度与光亮度

发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。Lcd是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F为光通量，单位是流明，对于点光源由I=F/4 。光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。

以下是部分光源的亮度值：单位cd/m²

太阳：1.5*10 ；日光灯：（5—10）*10³；月光（满月）：2.5*10³；黑白电视机荧光屏：120左右；彩色电视机荧光屏：80左右。

3. 光通量与流明

光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，

即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。光通量的单位是流明，是英文lumen的音译，简写为lm。绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。为表明光强和光通量的关系，发光强度为1坎德拉的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1流明。一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。

4. 光照度与勒克斯

光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。

以下是各种环境照度值：单位lux

黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；阴天室内：5—50；阴天室外：50—500；晴天室内：100—1000；夏季中午太阳光下的照度：约为10*9次方；阅读书刊时所需的照度：50—60；家用摄像机标准照度：1400。

LED基础知识:光学单位和计算

2007-12-25 19:43

1．前言

在LED的应用领域里，光强和光功率是两个很重要的指标参数。了解这些指标参数是如何被测量，被何种仪器方式测量以及它们的单位是非常基础和重要的。本文解释了主要的光学单位并提供了简单的计算方法。

2．颜色

当日光穿透棱镜时，光线被分为7种颜色：紫色，青色，蓝色，绿色，黄色，橙色和红色。由于这些颜色无法被进一步细分，因此被认为是单色光。可见光谱是由波长逐步增加的单色光排列组成的。

如图一所示，单色光可以被定义为单一的波长。与之相比较的是图二中白色LED所描述的光谱。

3．辐射计和光度计的测定

1)辐射线在几何学里被定义为随着时间变化的光能（紫外?红外）。

2)光度测定受控于辐射量和人眼对可见光的敏感度。

4．功率

3）光功率：光源单位时间内发出的总能量。（瓦特）

发光效率对人眼可见光的感知度没有关系和影响。举例来说，1个瓦特的紫外线光谱

能量人眼是看不见的。

4）光强：光功率中人眼敏感的因素。（流明）

（用光谱效能整合的光功率）

5．发光效率和人类的眼睛

人类的眼睛至少能感知到波长为380-780奈米的磁性光谱,而最为敏感的光波长为555奈米.眼睛的敏感曲线图如下图3所示.CIE(国际照明协会)在1924年采用标准的光谱发光效率图.

注意:

1）这个图在白天使用是有效的.

2）夜视时507 nm是另一个峰值.

3）眼睛的敏感度能够和下面的例子联系起来.

眼睛对470 nm蓝光的感知度只有555 nm绿光的1/10.

也就是说1 mw的470 nm和555 nm的光,绿光比蓝光要亮10倍.

6．辐射量和光通量的关系

光通量是由辐射量，标准发光效率和最大光谱发光效率相乘的结果来确定。公式如下：

*Km（最大光谱发光效率）在人类视觉可见区域555 nm时为683 lm/w。

因此，光通量=Km×Φe(λ) ×V(λ)。

光通量的简单计算（流明）

1）单色光

a.555 nm（绿光）辐射量：1 watt

683×1×10ˉ³[w]×1.000 = 0.683 [lm]

b.波长：600 nm 辐射功率：3 mw

波长为600 nm的标准发光效率系数是0.631。（由图1）

c.光通量为：

683×3×10ˉ³[w]×0.631 = 1.292919 [lm]

2）波长的分布

LED的光谱分布，是个肉眼可见光波长380-780 nm辐射功率的积分再乘以最大光谱发光效率。结果如下柱状图所示。

7．立体角和光强

光强是点光源在某一方向立体角内光通量的大小。（单位：cd=坎德拉）

立体角（弧度：sr）是一个固定的角度。

1)立体角被定义为在一个被r²分开的半径r的球体上的区域。 2)光强是点光源在某一方向立体角内光通量的大小。cd=lm/sr.

对点光源来说，如果圆锥的尺寸按照规则的立体角变化，那么通过圆锥体的光通量是相同。

8．照度

照度是点光源的光在单位受照面积的光通量。(单位:勒克斯,lx)1 lux之照度为1 lumen之光通量均匀分布在面积为一平方米之区域。举例如下：

图7中，假设a,b和c面积相同（1平方米）。照度由总光量来表示（如前头）。距离越远，单位面积内的箭头越少，说明照度越低。

9．单位之间的关系

关于已经提到的光学单位的摘要参照下列的图解

．总结

Kelvin

Kelvin，也称作开尔文温度计（缩写为“K”）是科学工作中使用很普遍的一种。

Kelvin开氏温度标度是用一种理想气体来确立的，它的零点被称为绝对零度。根据动力学理论，当温度在绝对零度时，气体分子的动能为零。为了方便起见。Kelvin开氏温度计的刻度单位与摄氏温度计上的刻度单位相一致，也就是说，Kelvin开氏温度计上的一度等于摄氏温度计上的一度，水的冰点摄氏温度计为0℃，Kelvin开氏温度计为273.16°K。