光度學(xué)單位的基礎(chǔ)

光度學(xué)單位的基礎(chǔ)第1頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光是輻射的一種形態(tài),是有能量的---光能夠做功,燒飯和燒水,轉(zhuǎn)變成熱能;---轉(zhuǎn)變成電的例子,可儲(chǔ)存和輸送.第2頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光是電磁輻射,是電磁波的一種第3頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光一定要度量和一定可以度量的.能量---功率其中:與輻射掛鉤:

輻射能量----輻射功率與眼睛掛鉤:光能量---光功率一定是視覺細(xì)胞在起作用.眼睛感覺到的光功率.第4頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月視網(wǎng)膜上的視覺細(xì)胞:眼睛感覺到的光功率---要經(jīng)過“過濾”“過濾系數(shù)”見右.第5頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一.光度學(xué)的單位度量光的強(qiáng)弱(大小)和方向的一門科學(xué).基本單位:

光通量--------發(fā)光體的

發(fā)光強(qiáng)度-----發(fā)光體的

亮度------發(fā)光體

反射體----受照體照明后的反射光

照度-----------受照體的第6頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四個(gè)單位的圖示:第7頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.光通量

光通量:看得見的光輻射功率單位:瓦第8頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光通量的單位:流明(lm)眼睛視網(wǎng)膜上的視覺細(xì)胞明視覺:錐體細(xì)胞>3cd/m2.暗視覺:桿體細(xì)胞<0.003cd/m2.第9頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月明視覺,中間視覺和暗視覺說明第10頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩種視覺細(xì)胞的光譜光視效率是不同的.分別是光譜光視效率V(λ)和V’(λ)曲線目前的光通量由V(λ)計(jì)算得到的第11頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可將兩個(gè)圖合并來認(rèn)識(shí)光通量第12頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1W功率555nm的黃綠光發(fā)出的光通量是:683lm.說明:對(duì)人的眼睛555nm的黃綠光最敏感.其它顏色的光線的敏感度低于555nm的值.有V(λ)曲線.第13頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光源的光通計(jì)算第14頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月相同的功率(W),不同的光源得到的光通量(Φ)是不同的:400W高壓鈉燈54000lm----138lm/w400W高壓汞燈21600lm-----54lm/w400W金鹵燈38000lm------95lm/w發(fā)光效率就能說明這個(gè)問題.

發(fā)光效率(luminousefficiency):

光源發(fā)出的光通量/光源的輸入功率.

發(fā)光效能(luminousefficacy):系統(tǒng)(光源+電器)發(fā)出的光通量/系統(tǒng)的輸入功率.第15頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常見光源的光效:白熾燈10-12lm/w鹵鎢燈15-20lm/w熒光燈---鹵磷酸鈣粉50-70lm/w---三基色粉80—104lm/w高壓汞燈54lm/w高壓鈉燈70-120lm/w金鹵燈60-90lm/w陶瓷金鹵燈85-100lm/wLED(白)(2011年）90-160lm/w第16頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任何一個(gè)光源的光通量的大小取決于:自身的功率;光譜組成;任何一個(gè)光源的效率的大小取決于:電轉(zhuǎn)換成光的效率;光譜組成.第17頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LED的最高光效第18頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光源:發(fā)光效率和發(fā)光效能

發(fā)光效率=光源光通量(lm)/光源耗損功率(W);

發(fā)光效能=光源光通量(lm)/系統(tǒng)耗損功率(W),系統(tǒng)耗損功率=光源功率+配件功率燈具效率和燈具能效燈具效率=燈具光通量(lm)/光源光通量(lm);燈具能效=燈具光通量(lm)/系統(tǒng)耗損功率(W),系統(tǒng)耗損功率=光源功率+配件功率.第19頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)有待機(jī)功耗的燈具的效能計(jì)算:第20頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有待機(jī)功耗的燈具的能效計(jì)算:1)不計(jì)入待機(jī)功耗時(shí)的燈具能效:燈具能效=燈具光通量(lm)/系統(tǒng)耗損功率(W),燈具能效=213lm/8W=28lm/W;2)計(jì)入待機(jī)功耗時(shí)的燈具能效:計(jì)算24h內(nèi)的燈具能效:燈具能效=24h內(nèi)的光通量/24h內(nèi)的功率:3h?213lm/(3h?8W+21h?0.5W)=18.5lm/W.第21頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.發(fā)光強(qiáng)度一個(gè)電珠,光通量一樣,但裝于手電后效果不同了.還需要發(fā)光強(qiáng)度的概念.

第22頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光強(qiáng)度I的定義:

單位立體角中的光通量.單位(cd):1cd(坎特拉)=1lm/1sr∴dΦ=I(θ)dω,Φ=

∫I(θ)dω立體角ω:包圍空間一點(diǎn)的空間角度:第23頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常用光強(qiáng)的介紹:探照燈:~106cd一般功率的投光燈:幾萬(wàn)---幾十萬(wàn)cd路燈(400W):~5000cd礦燈:1200cd燭光:1cd.LED(白光):XX-XXXmcd(毫cd)第24頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從光源光通量Φ球光源亮度L:對(duì)直線狀光源,光通量Φ的熒光燈管:光通量Φ與燈管軸向光強(qiáng)Io的關(guān)系:

Φ=

∫I(θ)dω=

∫

∫Iosinθsinθdθdφ對(duì)直線狀光源:

Φ=π2Io舉例:三基色32W燈管,Φ=3200lm,Io=324.6cd..第25頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.亮度(發(fā)光體)和出光度(反光體)亮度概念的引入:第26頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月亮度L的定義:

單位投影面積上發(fā)出的光強(qiáng)L=I/S單位：cd/m2.讀作每平方米坎特拉.第27頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月亮度定義應(yīng)用之一:兩個(gè)發(fā)光體間的投影面積之比.第28頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月亮度定義的應(yīng)用之二:

探照燈的出射光強(qiáng)I:I=ρ·L·SS:探照燈反射器的投影面積.第29頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月亮度定義的應(yīng)用之三:

出光度M與亮度L表面反射的光通量構(gòu)成了出光度.反射量的多少與反射率有關(guān).出光度M:M=ρ?E第30頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月出光度和亮度的計(jì)算(從照度算亮度)第31頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光體的亮度舉例:鎢絲燈?HID燈:~106cd/m2.熒光燈:T12:3-4000cd/m2.T8鹵粉:>8000cd/m2.三基色粉:>10000cd/m2.T5:16000cd/m2.CFL:40000cd/m2.

人眼適應(yīng)的最好亮度:100cd/m2.白云:8000cd/m2.道路:0.5-2.0cd/m2.第32頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三基色32W燈管,∵Φ=π2IoΦ=3200lm,Io=324.6cd.燈管長(zhǎng)1.2m,直徑26mm,平均燈管亮度LIo/1.2m?0.026m=10402cd/m2.第33頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月我們周圍環(huán)境中看到的發(fā)亮物體的亮度和人眼長(zhǎng)期適應(yīng)的亮度:第34頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.照度E被照面上單位面積S上接受的光通量.E=Φ/S單位:勒克司(lx).即1lx=1lm/1m2.

舉例:夏天的太陽(yáng)下:80000-100000lx滿月下:2lx辦公室:500lx車間一般照明:150-300lx體育場(chǎng)(國(guó)際):垂直1200lx居住小區(qū)最佳半柱面照度Esc:3~10lx第35頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有多種照度的定義:第36頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月：衡量面觀察方向應(yīng)用場(chǎng)合水平面平面物體辦公，教室，工廠，道路等垂直面對(duì)TV攝像機(jī)，對(duì)對(duì)方來人小區(qū)，TV轉(zhuǎn)播運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，小路半圓柱對(duì)對(duì)方來人，小區(qū)，小路，圓柱對(duì)四周看臺(tái)上觀眾運(yùn)動(dòng)場(chǎng)第37頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月照度的計(jì)算E=I/r2舉例:10000cd的光強(qiáng)在10m遠(yuǎn)處的照度?E=10000/10X10=100lx.第38頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.LED的發(fā)光特點(diǎn)及在光度學(xué)中的情況1.基本特點(diǎn)從光度學(xué)內(nèi)容來說,LED并無不同.僅根據(jù)LED的發(fā)光特點(diǎn),決定了有以下差異:1)LED的光通量?jī)H射向2π空間;2)LED的光強(qiáng)很小,Φ5的僅mcd數(shù)量級(jí);3)LED的亮度很高,達(dá)106cd/m2數(shù)量級(jí);4)LED的發(fā)光情況與熱管理有關(guān)。第39頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.LED的光通量?jī)H分布在2π空間(半空間)的問題1)LED的燈具做在芯片中去了第40頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)與傳統(tǒng)燈具的效率比較第41頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特別節(jié)能的幾種燈具:(1)下射筒燈(2)線槽燈?櫥柜燈(3)球泡燈第42頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)光通量測(cè)量上的問題

積分球測(cè)量法:應(yīng)該使用的測(cè)量形式第43頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月積分球測(cè)量光通原則:1.積分球內(nèi)面積與被測(cè)物的面積2.使用標(biāo)準(zhǔn)光通量燈做校正,較正內(nèi)容視測(cè)試方法而異:1)光通直接比對(duì):需要發(fā)光形式相同配光近似的標(biāo)準(zhǔn)燈(積分法測(cè)量),用兩者光通量和接收的信號(hào)之比值求得;2)從光通標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜和光通量確定被測(cè)光譜的絕對(duì)分布后計(jì)算得到光通量(分光法測(cè)量).第44頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月積分法測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)光源替代一次測(cè)量第45頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分光法測(cè)量---計(jì)算過程第一步:用標(biāo)準(zhǔn)光通燈定標(biāo);第二步:測(cè)量被測(cè)光源.第46頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月積分球原理達(dá)到平衡后,光源光通Φ,積分球上照度E,積分球面積S和表面吸收系數(shù)α有下關(guān)系:

Φ=(E0+E1+E2+E3…)?S?α即:Φ=E?4πr2?(1-ρ)E=Φ/4πr2?(1-ρ)在點(diǎn)光源時(shí),Φ=4πI0.代入有:E=I0/r2(1-ρ)而第一次照度E0=I0/r2,最后的照度比第一次增大了:1/(1-ρ)倍.在ρ=0.9,1/(1-ρ)=10.ρ=0.98時(shí),E=50E0.第47頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月看LED在積分球內(nèi)測(cè)量的問題1.內(nèi)壁骯上下半球骯臟帶來的問題2.燈具配光形式不同帶來的問題第48頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月積分球內(nèi)臟的分析:設(shè)定半球反射率ρ1,另半球ρ2,最后的Φ有:

Φ=(E0+E1+E2+E3…)[S?α1/2+S?α2/2]=E’S(2-ρ1-ρ2)/2E’=2Φ/S(2-ρ1-ρ2)=2?4π?Io/4πr2(2-ρ1-ρ2)=2Io/r2(2-ρ1-ρ2)與原來都是ρ1的相比:E’/E=2Io/r2(2-ρ1-ρ2)/I0/r2(1-ρ1)=2(1-ρ1)/(2-ρ1-ρ2)若ρ1=0.98,ρ2=0.95,E’/E=4/7=0.57;若ρ1=0.98,ρ2=0.90,E’/E=1/3=0.33.影響很大.第49頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月準(zhǔn)確測(cè)量需要的形式:考慮球內(nèi)的不均勻性后:1)基準(zhǔn)與被測(cè)配光?光譜相同2)基準(zhǔn)與被測(cè)置于球側(cè).第50頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LED基準(zhǔn)器的說明:

?相同配光,

?相同光譜,

?光強(qiáng)最好在相似的數(shù)量級(jí),

?熱穩(wěn)定性好(Peltier效應(yīng),半導(dǎo)體致冷).

第51頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體致冷(帕而貼效應(yīng))的說明第52頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.LED的光強(qiáng)很小一般的LED光強(qiáng)僅幾百mcd,或大功率的也僅幾個(gè)cd.100mcd在0.5m測(cè)量也僅0.4lx.一般照度計(jì)述的范圍:0.01-3X105lx.計(jì)量范圍(受標(biāo)準(zhǔn)燈的限制):40-3000lx.需要在小數(shù)值和大數(shù)值之間的線性和準(zhǔn)確度.注意!!例如上述照度計(jì)在1.5X10-1-3X105lx之間的不確定度Urel=1.4%(K=3).第53頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LED太小,所以CIE規(guī)定了測(cè)量光強(qiáng)的辦法:測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)條件:光度計(jì)有效接受面積:100mm2;直徑11.283mm,近似11.3mm.原因:1)LED太小,配光變化多,必須規(guī)范;2)規(guī)定元件的比較條件,利于比較和表述;第54頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月遠(yuǎn)場(chǎng)條件(CIE標(biāo)準(zhǔn)條件A):L=316mm,接受面對(duì)LED頂?shù)膹埥?.001sr,