什么是光度學？光度學包含哪些基本光學量？

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

什么是光度學？

光(guang)(guang)(guang)(guang)度(du)學(xue)是光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)中研究光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)輻射、吸收、照(zhao)射、反射、散射、漫射等有關(guan)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)度(du)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)學(xue)科。光(guang)(guang)(guang)(guang)度(du)學(xue)研究是從輻射的(de)(de)(de)角度(du)對圖像進行分析和度(du)量(liang)(liang)(liang)，用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)度(du)學(xue)對于人(ren)眼(yan)所見的(de)(de)(de)圖像進行度(du)量(liang)(liang)(liang)，結合人(ren)眼(yan)的(de)(de)(de)視覺(jue)特征(zheng)來確定(ding)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)度(du)量(liang)(liang)(liang)及(ji)所使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)單位(wei)。使(shi)用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)電器(qi)件接受(shou)圖像信息時(shi)(shi)，亮度(du)刺激(ji)由(you)輻射強度(du)和接受(shou)器(qi)件的(de)(de)(de)敏感(gan)特性共(gong)同決(jue)定(ding)，此時(shi)(shi)往(wang)(wang)往(wang)(wang)把電磁(ci)輻射作為純物(wu)理現象(xiang)來研究，應采用(yong)輻射量(liang)(liang)(liang)量(liang)(liang)(liang)值系統(tong)；通(tong)過(guo)人(ren)眼(yan)觀察圖像或(huo)景物(wu)時(shi)(shi)，人(ren)們往(wang)(wang)往(wang)(wang)只關(guan)心輻射強度(du)和人(ren)眼(yan)光(guang)(guang)(guang)(guang)敏感(gan)特性共(gong)同作用(yong)的(de)(de)(de)效果，即(ji)視覺(jue)系統(tong)受(shou)刺激(ji)的(de)(de)(de)程度(du)，需要采用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)量(liang)(liang)(liang)量(liang)(liang)(liang)值系統(tong)。

光度學包含哪些基本光學量？

1.可見光范圍

作(zuo)為能(neng)量和信(xin)息的載體，電磁(ci)輻射的波(bo)(bo)譜范圍(wei)很(hen)廣，可(ke)見光是電磁(ci)光譜中非(fei)常小的一(yi)部分。要嚴格定義(yi)可(ke)見光的波(bo)(bo)長范圍(wei)是困難的，一(yi)般說來，可(ke)以取(qu)380nm-780nm波(bo)(bo)長之間(jian)，其中紅色(se)(se)光線(xian)有最長的波(bo)(bo)長，而紫光線(xian)的波(bo)(bo)長最短，如下(xia)圖所示。然而，當光很(hen)強時(shi)，人眼又在(zai)暗適應的情況(kuang)下(xia)，可(ke)感(gan)受的波(bo)(bo)長至少(shao)可(ke)擴大到 350nm-900nm。有時(shi)在(zai)色(se)(se)度學計算(suan)中，取(qu)400nm-700nm，也可(ke)以得到一(yi)定的精度，不同(tong)(tong)波(bo)(bo)長的可(ke)見光作(zuo)用于視覺(jue)系(xi)統時(shi)，不僅(jin)會(hui)產生不同(tong)(tong)的顏(yan)色(se)(se)感(gan)覺(jue)，還會(hui)產生不同(tong)(tong)的亮度感(gan)覺(jue)。

實(shi)際中(zhong)，見到單色(se)(se)的(de)(de)(de)機會很少，所見到的(de)(de)(de)光(guang)都是混合光(guang)。一(yi)定成分(fen)的(de)(de)(de)混合光(guang)，有一(yi)種確定的(de)(de)(de)顏色(se)(se)與之(zhi)對應；但反(fan)過來(lai)，一(yi)種顏色(se)(se)并不只對應一(yi)種光(guang)譜組(zu)合。兩種光(guang)譜成分(fen)完全不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)混合光(guang)，有可能引起同(tong)(tong)樣的(de)(de)(de)顏色(se)(se)感覺。這(zhe)種現象(xiang)在(zai)(zai)在(zai)(zai)色(se)(se)度學中(zhong)被稱為(wei)“同(tong)(tong)色(se)(se)異譜”。

2.光強

設某(mou)個點(dian)光(guang)源向各(ge)個方向都均勻輻射(she)，則光(guang)強可定義為發射(she)到單位(wei)立體角dΩ的(de)光(guang)通量dΦ的(de)比值，即I=dΦ/dΩ。光(guang)強I的(de)單位(wei)為坎（cd）；Ω的(de)單位(wei)為球面度(du)（sr）；Ф為光(guang)通量，單位(wei)為流明（lm）。

光(guang)(guang)(guang)(guang)強表示光(guang)(guang)(guang)(guang)源在(zai)(zai)給(gei)定(ding)方向(xiang)上的發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)強度(du)，單(dan)位為坎(kan)，坎(kan)定(ding)義(yi)為：光(guang)(guang)(guang)(guang)源發(fa)出頻率為540x1012Hz的單(dan)色(se)輻(fu)射光(guang)(guang)(guang)(guang)，且在(zai)(zai)此(ci)指定(ding)方向(xiang)上的輻(fu)射強度(du)為1/683W/sr，W為能量單(dan)位，由(you)于點光(guang)(guang)(guang)(guang)源向(xiang)四周均(jun)勻輻(fu)射，而球心對球面總立(li)體角有4π球面度(du)，所(suo)以I=Φ/4π。1cd光(guang)(guang)(guang)(guang)強的點光(guang)(guang)(guang)(guang)源發(fa)出的總光(guang)(guang)(guang)(guang)通量為4πlm。

3.光通量

光(guang)(guang)(guang)源(yuan)以電磁(ci)波的形式輻(fu)射(she)(she)出的光(guang)(guang)(guang)功率(lv)稱為光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)量(liang)(liang)。光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)量(liang)(liang)是用于度(du)量(liang)(liang)可(ke)見(jian)光(guang)(guang)(guang)對人(ren)眼的視(shi)(shi)覺刺激(ji)程度(du)的量(liang)(liang)，與輻(fu)射(she)(she)度(du)量(liang)(liang)中的輻(fu)通(tong)(tong)量(liang)(liang)對應，單位(wei)為流明（lm）。單位(wei)流明定義為：發(fa)光(guang)(guang)(guang)強度(du)為1cd的均勻(yun)點光(guang)(guang)(guang)源(yuan)在一球(qiu)面立(li)體(ti)角內(nei)發(fa)射(she)(she)的光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)量(liang)(liang)，即(ji)1lm=1cd*sr。流明的測量(liang)(liang)常以人(ren)眼的光(guang)(guang)(guang)感覺來(lai)度(du)量(liang)(liang)其輻(fu)射(she)(she)功率(lv)。人(ren)眼對不(bu)同波長(chang)、相(xiang)同輻(fu)通(tong)(tong)量(liang)(liang)的可(ke)見(jian)光(guang)(guang)(guang)的敏感程度(du)不(bu)同，這(zhe)表明人(ren)的視(shi)(shi)覺系統對不(bu)同波長(chang)可(ke)見(jian)光(guang)(guang)(guang)有不(bu)同的相(xiang)應靈敏度(du)，稱為光(guang)(guang)(guang)譜光(guang)(guang)(guang)效(xiao)率(lv)函數(shu)。觀察場明暗(an)程度(du)不(bu)同時，人(ren)眼光(guang)(guang)(guang)譜敏感特性稍有不(bu)同。國(guo)際照明委(wei)員會（CIE）根據實驗確定兩種光(guang)(guang)(guang)譜光(guang)(guang)(guang)效(xiao)率(lv)函數(shu)：明視(shi)(shi)覺光(guang)(guang)(guang)譜光(guang)(guang)(guang)效(xiao)率(lv)函數(shu)V（λ）和暗(an)視(shi)(shi)覺光(guang)(guang)(guang)譜光(guang)(guang)(guang)效(xiao)率(lv)函數(shu)V'（λ），函數(shu)曲線如(ru)下(xia)圖所示，這(zhe)里(li)函數(shu)值(zhi)已經歸(gui)一化。

其(qi)中，是(shi)在亮(liang)視場(chang)觀察(cha)時，最敏(min)感波長為(wei)555nm；是(shi)在暗視場(chang)觀察(cha)時，最敏(min)感波長為(wei)607nm。

對(dui)于單一波(bo)長的(de)光源(yuan)來講，光通量Φ與(yu)輻射功率的(de)關系為：

Φ=kP（λ）V（λ）

式中k=683lm/W，P（λ）為(wei)光(guang)源輻射功率的(de)波譜分(fen)布。在可見光(guang)范圍內對所有波長求和，即(ji)為(wei)光(guang)源的(de)光(guang)通(tong)量：

式中積分的△范(fan)圍為可見光范(fan)圍，即△=380nm～780nm。

4.亮度

亮度(du)(du)(du)B是發(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)明亮程度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)度(du)(du)(du)量，決定(ding)于(yu)單位(wei)面(mian)(mian)積(ji)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)強。光(guang)(guang)(guang)可以從(cong)一個(ge)面(mian)(mian)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)直接輻射(she)，也(ye)可以由入(ru)射(she)光(guang)(guang)(guang)照射(she)下(xia)從(cong)單一表(biao)面(mian)(mian)反射(she)出來(lai)或者是某(mou)(mou)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)經介(jie)質透射(she)出來(lai)。從(cong)某(mou)(mou)一角度(du)(du)(du)α去(qu)看(kan)發(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)面(mian)(mian)S，如下(xia)圖所示，亮度(du)(du)(du)與該角度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)強Iα成正比，與所見(jian)的(de)(de)(de)面(mian)(mian)積(ji)Scosα成反比。其亮度(du)(du)(du)定(ding)義為(wei)：β=Iα/lScosα。In為(wei)S發(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)面(mian)(mian)法線方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)強度(du)(du)(du)，Iα為(wei)S發(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)面(mian)(mian)在指定(ding)方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)光(guang)(guang)(guang)強度(du)(du)(du)，α為(wei)該方(fang)(fang)向(xiang)與法線的(de)(de)(de)夾角。在任何方(fang)(fang)向(xiang)看(kan)到(dao)的(de)(de)(de)Iα越(yue)(yue)大(da)或Scosα越(yue)(yue)小(xiao)，則(ze)亮度(du)(du)(du)B越(yue)(yue)大(da)，即明亮程度(du)(du)(du)越(yue)(yue)高，按(an)前述的(de)(de)(de)理想漫(man)射(she)的(de)(de)(de)面(mian)(mian)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，即光(guang)(guang)(guang)強按(an)余弦規律分布，則(ze)：

也就(jiu)是說，理(li)想漫射的(de)面(mian)光源的(de)亮(liang)度(du)(du)余方向(xiang)角度(du)(du)α 無(wu)關(guan)。亮(liang)度(du)(du)的(de)單位(wei)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系，為了得到良好的圖像，常用強光來照射。由于光強I=Φ/Ω，而立體角Ω又和球半徑r有關，這樣照度E定義為：E=Φ/S=I/r²，即當光(guang)強(qiang)I一定時，照(zhao)度與距離(li)平(ping)(ping)方(fang)成反比(bi)。光(guang)源(yuan)為平(ping)(ping)行光(guang)束時，照(zhao)度和距離(li)無關。