基本知识概述：了解必要知识

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：图6-1 相对光谱灵敏度V（λ）6.1.1.2 亮度的重要性如果不考虑人所具有的视觉环境，那么照明是没有意义的。用每“点”的亮度乘以其基本表面（投影）面积，可得出观测方向的发光强度，它是人们描述光源特性的首选参数。

6.1.1.1 辐射测量和光度测量的联系

辐射的光度值和比色值与人的感觉存在着联系，这种关系可用明确的数学关系从辐射能谱推导出。例如，由能值G_e推出光度值G（本应用下标“v”表示“可见光”，但缺省表示方法是将其省略；相反，对于能值（或辐射度），一般不省略下标“e”）时，必须用CIE的“光度标准观测器”得到的相对光谱灵敏度V（λ）确定每个波长λ所对应的辐射能谱密度dG_e/dλ（此参数也称为“明视觉中的光谱发光效率函数”[CIE 05]）（见图6-1），然后对两者的乘积进行积分，其结果为λ的函数。还需将结果乘以系数K_M，其大小为683lm/W（流明每瓦），采用国际单位制SI。在SI下（因V（λ），积分范围当然限制在可见光区），可得

如前所述，照明中光度值比辐射度值（或能值）更有意义。当然，在可见光应用之外（例如用于通信的红外LED），仅使用辐射度值。

为了了解各种辐射度值、光度值和比色值的定义方法，我们将参考CIE颁布的国际照明标准[CIE 87a]。比色法的基本概念在CIE 15文档[CIE 04]中做了定义。除非另作说明，本章随后部分仅讨论光度值。它可容易地经适当修改后变换为能值。

图6-1 相对光谱灵敏度V（λ）

6.1.1.2 亮度的重要性

如果不考虑人所具有的视觉环境，那么照明是没有意义的。这一可感知的视觉环境有什么特性呢？空间中观察者所处的每一点和每一个观察方向，视网膜接收来自此方向的与辐射有关的信息并将其传递至大脑。这种信息包含了量（通常用光度、亮度、辉度等表示）和质（色彩或色调）的固有视觉信息。用两种不同的计量方法来测定这两方面的信息：测量量的测光法[此处Photometry是狭义的，其基础为式（6-1）]和测量质的比色法。实际上，用3个参数就足以描述视觉信息了，因为对明视觉或白昼视觉而言（从对光源感知的角度来看），视网膜的细胞，即锥体可区分3种不同的颜色——视觉是三变数的。显然，如果仅用一个值描述量（下面提到的亮度），其余两个值可用于描述质（色度坐标）。这两种计量方法是描述视觉特征的工具，也是客观反映任何光度（此处Photometric是广义的）特性的公式表示法。

再来考虑由测光法获得的量的信息，进一步完善对信息的阐述，目的是由其推导出一个代表性的量，即我们所称的“亮度”。正如一台照相机，视网膜的每个光接收器均与眼睛中间的基本视觉锥体存在联系，光接收器接收的信息代表进入眼睛的光通量，此信息被锥体接收。所以合适的定义方法是用观测点和垂直于观测方向的平面上立体角元所接收的照度来定义亮度（因为视线基本上是居中的）：

让我们回忆一下接收表面上某一点的照度E，它是用该点表面单元接收的光通量来定义的，其光度学单位是勒克斯（lx，1lx=1lm/m²），能量单位是W/m²[此时的术语叫做辐照度（Irradiance）]：

显而易见的是，通过眼睛的视觉作用，L与视网膜照度成正比，所以亮度是数量感的基本参数。式（6-2）通常被称为亮度的“第二”定义，因为它是观察者定义的公式。亮度的“第一”定义意指一定面积的光源某一“点”的发光强度I，面积大小为该点周围的基本发射表面面积dS_emit。发光强度I的定义是：该点在指定方向上的立体角元内所发射的光通量。所以发光强度为矢量：

I的光度学单位是坎德拉（cd，1cd=1lm/sr），能量单位是瓦特每立体弧度（W/sr）。

所以光源某点的亮度L为发光强度与垂直于该点所在方向的表面元面积之比：

很容易证明式（6-2）和式（6-5）两个定义的等价性。后者实际上表达了这样一个事实，即亮度是一个光源的附属概念，但需要知道光源的空间位置，而式（6-2）不需要空间位置信息（仅需知道光源的方向，不需知道光源和观察者之间的距离），实际上也不可能总是知道光源所处的位置（例如由于天气、雾等原因）。

根据式（6-5），亮度的光度学单位是坎德拉每平米（cd/m²）。在辐射度单位中，它被称为光亮度（Radiance），单位是W/sr-m²。

6.1.1.3 发光强度和光通量

由上述内容可知，视觉周围环境中“点”的亮度基本描述了人对环境数量的感知特性。用每“点”的亮度乘以其基本表面（投影）面积，可得出观测方向的发光强度，它是人们描述光源特性的首选参数。为了将光源缩至一个“点”（此时每个方向仅用一个值来描述该方向的发光强度特性），光源尺寸与观测距离相比必须足够小（发光强度是一种“无限远处”的概念）。否则，此唯一值只能是一种平均值，仍与观测距离有关。

此时建议使用一种在照明中广泛使用的不同寻常的几何定律，它将点状光源在接收表面上某一点产生的亮度与光源在该点所在方向的发光强度联系了起来：

式中，d为距离；θ为入射角。

发光强度随方向的变化规律是每个光源（由前面的解释，光源为点状）的基本特性，特别是对于LED而言。下面谈一下辐射图的概念。最常用的表示方法是三维空间中的极坐标图，它是将光源发出的矢量光线在所有方向上扫描得出的，其幅值与某方向的发光强度成正比。通常会定义参考轴（例如旋转轴或对称轴），还会给出通过该轴的一系列子午线的二维曲线图。

此极坐标图划定的体积表示光源发出的总光通量Φ[光度学单位为流明（lm），辐射度单位为瓦特（W）]。更确切地，有（此公式仅适用于点状光源）

一般情况下，对于任意尺寸的一个或几个光源，下式是适用的：

照度E在包围光源任意曲面的整个面积A上进行积分。

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