什么是光度學(xué)？光度學(xué)包含哪些基本光學(xué)量？

什么是光度學(xué)？光度學(xué)是光學(xué)中研究光的輻射、吸收、照射、反射、散射、漫射等有關(guān)光的度量的學(xué)科，主要包括光源基本光學(xué)量光強(qiáng)、光通量、亮度、照度等的光學(xué)量值的研究與分析。本文對(duì)光度學(xué)的概念及光度學(xué)的基本光度量進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，感興趣的朋友可以了解一下！

什么是光度學(xué)？

光度學(xué)是光學(xué)中研究光的輻射、吸收、照射、反射、散射、漫射等有關(guān)光的度量的學(xué)科。光度學(xué)研究是從輻射的角度對(duì)圖像進(jìn)行分析和度量，用光度學(xué)對(duì)于人眼所見的圖像進(jìn)行度量，結(jié)合人眼的視覺特征來確定光的度量及所使用的單位。使用光電器件接受圖像信息時(shí)，亮度刺激由輻射強(qiáng)度和接受器件的敏感特性共同決定，此時(shí)往往把電磁輻射作為純物理現(xiàn)象來研究，應(yīng)采用輻射量量值系統(tǒng)；通過人眼觀察圖像或景物時(shí)，人們往往只關(guān)心輻射強(qiáng)度和人眼光敏感特性共同作用的效果，即視覺系統(tǒng)受刺激的程度，需要采用光學(xué)量量值系統(tǒng)。

光度學(xué)包含哪些基本光學(xué)量？

1.可見光范圍

作為能量和信息的載體，電磁輻射的波譜范圍很廣，可見光是電磁光譜中非常小的一部分。要嚴(yán)格定義可見光的波長(zhǎng)范圍是困難的，一般說來，可以取380nm-780nm波長(zhǎng)之間，其中紅色光線有最長(zhǎng)的波長(zhǎng)，而紫光線的波長(zhǎng)最短，如下圖所示。然而，當(dāng)光很強(qiáng)時(shí)，人眼又在暗適應(yīng)的情況下，可感受的波長(zhǎng)至少可擴(kuò)大到 350nm-900nm。有時(shí)在色度學(xué)計(jì)算中，取400nm-700nm，也可以得到一定的精度，不同波長(zhǎng)的可見光作用于視覺系統(tǒng)時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生不同的顏色感覺，還會(huì)產(chǎn)生不同的亮度感覺。

實(shí)際中，見到單色的機(jī)會(huì)很少，所見到的光都是混合光。一定成分的混合光，有一種確定的顏色與之對(duì)應(yīng)；但反過來，一種顏色并不只對(duì)應(yīng)一種光譜組合。兩種光譜成分完全不同的混合光，有可能引起同樣的顏色感覺。這種現(xiàn)象在在色度學(xué)中被稱為“同色異譜”。

2.光強(qiáng)

設(shè)某個(gè)點(diǎn)光源向各個(gè)方向都均勻輻射，則光強(qiáng)可定義為發(fā)射到單位立體角dΩ的光通量dΦ的比值，即I=dΦ/dΩ。光強(qiáng)I的單位為坎（cd）；Ω的單位為球面度（sr）；Ф為光通量，單位為流明（lm）。

光強(qiáng)表示光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，單位為坎，坎定義為：光源發(fā)出頻率為540x1012Hz的單色輻射光，且在此指定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr，W為能量單位，由于點(diǎn)光源向四周均勻輻射，而球心對(duì)球面總立體角有4π球面度，所以I=Φ/4π。1cd光強(qiáng)的點(diǎn)光源發(fā)出的總光通量為4πl(wèi)m。

3.光通量

光源以電磁波的形式輻射出的光功率稱為光通量。光通量是用于度量可見光對(duì)人眼的視覺刺激程度的量，與輻射度量中的輻通量對(duì)應(yīng)，單位為流明（lm）。單位流明定義為：發(fā)光強(qiáng)度為1cd的均勻點(diǎn)光源在一球面立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，即1lm=1cd*sr。流明的測(cè)量常以人眼的光感覺來度量其輻射功率。人眼對(duì)不同波長(zhǎng)、相同輻通量的可見光的敏感程度不同，這表明人的視覺系統(tǒng)對(duì)不同波長(zhǎng)可見光有不同的相應(yīng)靈敏度，稱為光譜光效率函數(shù)。觀察場(chǎng)明暗程度不同時(shí)，人眼光譜敏感特性稍有不同。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定兩種光譜光效率函數(shù)：明視覺光譜光效率函數(shù)V（λ）和暗視覺光譜光效率函數(shù)V'（λ），函數(shù)曲線如下圖所示，這里函數(shù)值已經(jīng)歸一化。

其中，是在亮視場(chǎng)觀察時(shí)，最敏感波長(zhǎng)為555nm；是在暗視場(chǎng)觀察時(shí)，最敏感波長(zhǎng)為607nm。

對(duì)于單一波長(zhǎng)的光源來講，光通量Φ與輻射功率的關(guān)系為：

Φ=kP（λ）V（λ）

式中k=683lm/W，P（λ）為光源輻射功率的波譜分布。在可見光范圍內(nèi)對(duì)所有波長(zhǎng)求和，即為光源的光通量：

式中積分的△范圍為可見光范圍，即△=380nm～780nm。

4.亮度

亮度B是發(fā)光面的明亮程度的度量，決定于單位面積的光強(qiáng)。光可以從一個(gè)面光源直接輻射，也可以由入射光照射下從單一表面反射出來或者是某光源經(jīng)介質(zhì)透射出來。從某一角度α去看發(fā)光面S，如下圖所示，亮度與該角度的光強(qiáng)Iα成正比，與所見的面積Scosα成反比。其亮度定義為：β=Iα/lScosα。In為S發(fā)光面法線方向的發(fā)光強(qiáng)度，Iα為S發(fā)光面在指定方向的發(fā)光強(qiáng)度，α為該方向與法線的夾角。在任何方向看到的Iα越大或Scosα越小，則亮度B越大，即明亮程度越高，按前述的理想漫射的面光源，即光強(qiáng)按余弦規(guī)律分布，則：

也就是說，理想漫射的面光源的亮度余方向角度α 無關(guān)。亮度的單位是坎每平方米，cd/m2。

5.照度

照射在單位面積上的光通量就是照度E，即E=Φ/S，單位為勒（lx），lx定義為在1m²的面積上照有1lm的光通量。照度與成像的好壞有很大關(guān)系，為了得到良好的圖像，常用強(qiáng)光來照射。由于光強(qiáng)I=Φ/Ω，而立體角Ω又和球半徑r有關(guān)，這樣照度E定義為：E=Φ/S=I/r²，即當(dāng)光強(qiáng)I一定時(shí)，照度與距離平方成反比。光源為平行光束時(shí)，照度和距離無關(guān)。