光學中常用的物理量及其單位與換算

 光學中有很多物理量，很多人對相關的知識比較好奇。本文簡單總結了光學中常用的物理量及其單位與換算。

光學中常用的物理量

1. 光通量(符號Φ,單位流明)

光通量(Luminous flux):即一光源單位時間內所放射出的光能量,為描述光源發光能力的基本量,單位為流明(Lumen,lm)。例如一個100W的燈泡可產生1,750lm,而一支40W冷白日光燈管則可產生3,150lm的光通量。根據定義, 1lm為發光強度1cd的均勻點光源在1球面度立體角內發出的光通量。即：

1lm = 1cd ·1sr

2. 發光強度(符號 I,單位坎德拉 cd)

發光強度(Luminous intensity, Candle power):發光強度簡稱光強,指光源在特定方向單位立體角(單位為sr)內所放射出來的光通量,也就是光源或照明燈具所發出的光通量在空間選定方向上分布密度,單位為燭光(Candle or Candela, cd)。發光強度為1cd的光源可放射出12. 57lm的光通量。

3. 照度(符號 E,單位勒克斯 lux,尺燭光 fc)

照度(luminance):受照平面上接受光通量的密度,可用每一單位面積的光通量來測量。1lm的光通量均勻分布在1平方公尺(m2)的表面,即產生1勒克斯(Lux)的照度;1lm的光通量落在1平方英尺(ft2)的表面,其照度值為1尺燭光(Foot candle, fc)。

3. 輝度亮度 (符號 L,單位尼特 cd/m2,英尺朗伯 fl)

輝度或亮度(luminance, Brightness):當人眼目視某物所看到的,可以兩種方式表達:一用于較高發光值者如光源或燈具,直接以其發光強度來表示;另一則用于本身不發光只反射光線者如:室內表面或一般物體,以亮度表示。亮度即被照物每單位面積在某一方向上所發出或反射的發光強度,用以顯示被照物的明暗差異,公制單位為燭光/平方公尺(Candela/m2, cd/m2)或尼特(nit),英制單位為英尺朗伯(Foot lambert, fl)。

4. 反射率
    反射率(Reflectance or reflection factor):某表面的亮度取決于落于其上的光量與該表面所能反射光線的能力;其所能反射的光的多寡與分布形式則取決于該材料表面的性質,以反射光與入射光的比值來表示,稱為該材料表面的反射比或反射率(%)。完美的黑色表面的反射比為0,亦即無論多少光落于其上皆無亮度產生而全被吸收;反之,完美白色表面的反射比為1(反射率100%,吸收率0%)。反射比的測量,首先,將照度計置于物體表面讀出其表面照度值Ei(Incident light),再將照度值置于其上5-8cm(感光部分朝該表面且確定無陰影遮擋),即可測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為該材料表面的反射比

光學中常用的物理量的單位及單位換算

1967年法國第十三屆國際計量大會規定了以坎德拉、坎德拉/平方米、流明、勒克斯分別作為發光強度、光亮度、光通量和光照度等的單位,為統一工程技術中使用的光學度量單位有重要意義。

坎德拉(candela)的定義:在101325N/m2牛頓的標準大氣壓下,面積等于1/60cm2的絕對“黑體”(即能夠吸收全部外來光線而毫無反射的理想物體),在純鉑(Pt)凝固溫度(約2042K,或1769℃)時,沿垂直方向的發光強度為1坎德拉(cd)。并且,燭光、國際燭光、坎德拉三個概念是有區別的,不宜等同。從數量上看,60 坎德拉等于58. 8國際燭光,亥夫納燈的1燭光等于0. 885國際燭光或0. 919坎德拉。

這種定義是以純鉑在凝固點下的光譜成份為基點的,要對其他光輻射進行測量,就要換算到相應的光譜成份,還需相應的視見函數值,不易準確,另外這種定義也沒有明確規定最大光功當量K max之值,影響光度學和輻射度學之間的換算。

1979年第16屆國際計量大會通過決議,廢除上述坎德拉的定義,并規定:

坎德拉是發出540x1012Hz頻率的單色輻射源在給定方向上的發光強度,該方向上的輻射強度為(1/683)W/sr。

坎德拉是國際單位制的基本單位(舊稱“燭光”,俗稱“支光”)。規定：

有了發光強度單位及發光強度與光亮度、光通量、光照度間的關系,光亮度、光通量和光照度的單位也就確定了。

自然光的照度在不同光線情況下為:

晴天陽光直射地面照度約為100000lx

晴天背陰處照度約為10000lx

晴天室內北窗附近照度約為2000lx

晴天室內中央照度約為200lx

晴天室內角落照度約為20lx

陰天室外50—500lx

陰天室內5—50lx

月光(滿月)2500lx

日光燈5000lx

電視機熒光屏100lx

閱讀書刊時所需的照度50-60lx

在40W白熾燈下1m遠處的照度約為30lx

晴朗月夜照度約為0. 2lx

黑夜0. 001lx