光源光通量什么意思?怎么測量光源的光通量?

? DOHO標(biāo)準(zhǔn)光源箱 ????|???? ?2023-11-30

光源光通量什么意思?光通量是計(jì)量光源在單位時(shí)間發(fā)出來能被眼睛感知到的光量,符號為Φ,單位為lm(流明)。這個(gè)量是對光源而言,是用來描述光源發(fā)光總量的大小。那么,怎么測量光源的光通量?本文對光源光通量的含義及測量方法做了介紹,對光源光度學(xué)性能知識感興趣的朋友可以了解一下!

光源光通量

光源光通量什么意思?

1.光通量的定義

光通量Ф:度量光源在單位時(shí)間內(nèi)向某立體角內(nèi)輻射的相對視見率的光能量,即人眼所能感覺到的光的輻射功率(輻射能量流速率)的物理量。

Φ=I·Ω

即單位時(shí)間某立體角內(nèi)的光輻射能量與相對視見率的乘積,亦即單位時(shí)間某立體角內(nèi)各波段的輻射能量與該波段相對視見率的乘積之和。

2.光通量的單位

①光通量的單位為流明lm(lumen):發(fā)光強(qiáng)度為1cd且各方向發(fā)光強(qiáng)度均相同的點(diǎn)光源,在1球面度的單位立體角內(nèi)所發(fā)射出的光通量為1流明=1坎德拉·球面度,即1lm = 1cd·sr。

1cd點(diǎn)光源的總光通量為4π流明(因空間立體角共有4π球面度)。

若光源為均勻發(fā)光體,則該光源總光通量中Φ總為:

Φ=Ι·Ω=4π·Ι

②由于人眼對不同波長之光的相對視見率不同,故此不同波長之光的輻射功率相等時(shí),其光通量并不相等。

例如,波長555nm與650nm之光的輻射功率相等時(shí),前者為后者光通量的10倍。

③不計(jì)相對視見率的輻射通量的單位為瓦(W)。

若某光源僅輻射555nm波長的光能,且輻射能量為1瓦,則該光源所發(fā)出的光通量為683流明。(因1cd為1/683W/st,所以1W相當(dāng)于683cd·sr即683lm)。

顯然實(shí)際光源輻射的光譜絕非單一波長,而非555nm波長之光的視見函數(shù)又小于1,所以實(shí)際光源的光通量一般遠(yuǎn)比683lm為小。


光源光通量測量方法:

光源光通量的測量方法有兩種:球形光度計(jì)法和分布式光度計(jì)法。球形光度計(jì)法為相對測量方法,測量設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,測量速度快,在國內(nèi)檢測行業(yè)得到了大量應(yīng)用,但受標(biāo)準(zhǔn)燈尺寸和光強(qiáng)的限制,測量不確定度大,越來越難以滿足各級計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)對光源總光通量的測量示值穩(wěn)定性和精度要求;分布式光度計(jì)法為絕對測量方法,絕對測量方法較之相對測量方法擁有更高的計(jì)量學(xué)價(jià)值,更適合作為光源總光通量的基準(zhǔn)測量方法。

1.球形光度計(jì)法測量原理

球形光度計(jì)法,測量器具為積分球。積分球是一個(gè)內(nèi)表面涂有硫酸鋇等漫反射材料的球體,原理示意圖如下圖所示。

積分球原理示意圖

假設(shè)S為一固定光源,此固定光源的總光通量大小為Φ,球內(nèi)壁材料的反射率為ρ,此固定光源照射到球內(nèi)壁任意微小面元△S的照度值為Ei,i=1,2,3,……n(n→∞),則球面任意面元△S反射的照度值為ρEi,積分球內(nèi)壁為理想的余弦發(fā)光面(發(fā)光強(qiáng)度的變化依據(jù)余弦規(guī)律,即其亮度具有方向無關(guān)性),任意面元△S的照度值ρEi,均勻分布于積分球內(nèi)壁,積分球內(nèi)壁面積為4πr2,則此微小面元△S作為一個(gè)光源經(jīng)過第一次漫反射所得到的照度值為:

照度值

球面任意一個(gè)面元△S經(jīng)過一次漫反射均會(huì)發(fā)出一次照度Ei1,整個(gè)光源經(jīng)過第一次漫反射后的照度總和為:

照度總和

式中:2θ為探測器的光纖管孔徑角;S為光纖管孔徑角對應(yīng)曲面域的面積;E0為固定光源照射在積分球內(nèi)壁任一位置所得到的平均照度值,其大小為:

平均照度值

任意面元△S的照度為ρEi,△S作為一個(gè)光源經(jīng)過第二次漫反射產(chǎn)生的照度大小為:

照度值大小

所有微小面元△S經(jīng)過第2次積分球內(nèi)壁漫反射后所產(chǎn)生的照度值之和為:

照度值之和

同理,可得整個(gè)內(nèi)壁第3次到第n次每次積分球內(nèi)壁漫反射后產(chǎn)生的照度總和分別為:

照度值總和

因此,整個(gè)積分球內(nèi)壁經(jīng)過n次漫反射后所產(chǎn)生的照度值總和為:

n次漫反射后照度值總和

由上式可知標(biāo)準(zhǔn)固定光源和被測固定光源照度值分別為:

標(biāo)準(zhǔn)固定光源和被測固定光源照度值

將上面標(biāo)準(zhǔn)固定光源的照度值除以被測固定光源照度值,可得被測固定光源的總光通量為:

光源的總光通量

球形光度計(jì)法為相對測量方法,必須采用光通量標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)。光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的尺寸、光譜分布,以及量值的大小往往與被測 固定光源存在較大差異,測量結(jié)果準(zhǔn)確度難以保證。

2.分布式光度計(jì)法測量原理

光源總光通量的常用計(jì)算方法有三種:球帶法、盧素圖法、等立體角法。一般采用球帶算法計(jì)算光源的總光通量。

由式I=dΦ/dΩ可得光強(qiáng)與光通量之間存在如下關(guān)系:

光強(qiáng)與光通量之間的關(guān)系

立體角示意圖

如上圖所示,立體角可表示為:

立體角公式

將立體角公式代入光強(qiáng)與光通量之間的關(guān)系式后,就可得計(jì)算總光通量的公式如下:

總光通量計(jì)算公式

對于軸對稱光源:

軸對稱光源光通量

如果將球面劃分為n個(gè)大小相等的球帶,各球帶的發(fā)光強(qiáng)度值可分別表示為I1,I2,……In,由上面總光通量計(jì)算式可推導(dǎo)得各球帶的光通量如下:

各球帶的光通量

總光通量為:

總光通量001

由測量原理可知,分布式光度計(jì)法是一種絕對測量方法,不受燈具尺寸等限制,測量精度高,適合作為基準(zhǔn)測量方法。


光源光通量和光強(qiáng)度什么關(guān)系?

光通量的單位為流明(lm),它是發(fā)光強(qiáng)度為1cd的均勻點(diǎn)光源在單位立體角(1sr)內(nèi)發(fā)出的光通量。如果光源為點(diǎn)光源,并且是均勻發(fā)光體,那么光強(qiáng)(I)與光通量(Φ)符合距離反比平方定律。距離平方反比定律來自于點(diǎn)光源向空間發(fā)射球面波的特性,即點(diǎn)光源在傳播方向某點(diǎn)的輻照度與該點(diǎn)到點(diǎn)光源的距離平方成反比。

在任一錐立體角內(nèi),假設(shè)在傳輸路徑上沒有光能損失或分束,那么點(diǎn)光源向空間發(fā)出的輻射通量是不變的。然而位于球心的均勻點(diǎn)光源所張開的立體角所截的表面積卻和球半徑的平方成正比,這樣在球面上的輻照度就和點(diǎn)光源到該面的距離平方成反比,即:Φ=4πI。