光度基本知识:坎德拉是何物?

一、平面角与立体角:

二、流明

从观察者角度,提出亮度的概念。

亮度是指光源发出的光线在通过观测点、且与光线相垂直之平面上所形成的照度也就是观测者在单位时间、单位面积上所接受到的辐射能。

从光源角度,提出了光度(发光强度,也称光强)的概念。

光度则是指光源在单位立体角内所发出的辐射能。

光度是物体本身的一个属性,所以光度是物理上七个基本物理量之一。

为了量化人看到的亮度,1760年,瑞士人朗伯(海因里希·朗伯  Johann Heinrich Lambert,1728年8月26日-1777年9月25日,瑞士数学家)写了一本书《光度学》。他发现观测亮度与它的光度成正比而与到观测者距离的平方成反比。

光度的量化的单位在1860年提出,将一对蜡烛的发光强度定义为1烛光。比如一堆火多亮?相当1000烛光。这种定义发光强度不是很严谨。1881年,为了严谨,把1磅鲸脑油制成6支蜡烛,每小时燃烧1格令(7.78g),此时在水平方向上发光的强度为1烛光。但这种基本单位复现不便利(基本单位满足两原则,稳定和易复现,即随时可展现此单位作为参照)。

由于1879年,爱迪生改良了电灯。于是1909年,人们决定用白炽灯泡取代蜡烛,由于一个碳丝的白炽灯发光也不稳定,所以采用45个碳丝白炽灯为一组,将平均的一个白炽灯的发光强度定为1国际烛光。

二战后,由于量子力学和相对论的出现,发光强度的单位也有了新的规定,以金属铂凝固点在的黑体在1平方厘米垂直表面的发光强度为60烛光(或者说,1/60平方厘米上发光强度为1烛光)。之所以选铂的凝固点,因为高纯金属的凝固点(相变点温度)非常稳定,其实就是指待定温度,即2042K,约2000℃。由于现在的1烛光比国际1烛光要暗一点,为了区分,将以前的1烛光(candle)改为拉丁文candela(坎德拉,简写cd)。

发光强度仅指可见光的强度,其实发光物体还会发射不可见光。只以可见光的强度来衡量发光物体的发光强度显的不是很严谨。所以,发光强度按理应该等于辐射电磁波的强度。但一直以来,发光强度是针对人眼而言,并没有意识到不可见光的存在。现在为了更客观描述主观因素“人眼”对发光强度的影响,引入一个主观常数,683.002lm/W.表示人眼对色彩的平均感知能力,因为相同辐射强度的不同色光对人眼而言,亮度是不同的,会觉得绿色最亮,越往两边越暗,红色边缘甚至是看不到亮度,是暗的。所以,看到的亮度与物体本身的光度(发光强度)相比,是有差距的。通过光度函数(这个函数的峰值为绿色的频率555Hz),将非常主观的发光强度、亮度与物体本身的发光强度联系起来了,这个客观的发光强度取名为辐射强度。也就是说,发光强度就不需要鲸脑油了,可通过客观机器测量的辐射强度与光度函数的综合来定义主观的发光强度更适合。

1979年,1坎德拉定义为发光强度的单位,取代了以前1烛光,但1cd(坎德拉)与1烛光(一支蜡烛发光强度)大小是相同的,只是定义更科学。若发光物体客观的辐射强度(即在1立体角的辐射通量)是1W/sr(即瓦/球面度,球面度为立体角的单位,代表半径为1m时的球面面积)时,对于540.0154*1012Hz单色辐射光(即波长555Hz黄绿光)在一个方向上的单位立体角的(即半径为1m的面积)发光强度(即在1立体角的光通量)相当于达到了683W/sr,记住,这个683W是针对555Hz绿色光人为规定的,即1立体角上的1W的辐射通量相当于在1立体角上产生683W的绿色光通量,我们将绿色的光通量的1/683,其实就是辐射通量1W的1/683规定为1坎德拉。

由于辐射通量的单位是1W,对应于绿色的光通量的683W,这就意味着,辐射通量的瓦特是“真瓦特”,光通量的瓦特其实是“假瓦特”。于是将“假瓦特”定义为流明(lm),流明与瓦特性质相同,都是代表功率,但由于对光(或辐射)的检测工具不同,一个以机器检测得出发光体的辐射强度,一个以人眼感知得出发光体的发光强度。所以,对于绿光,1W=683 lm;可是对于人眼可视效率低的红光,1W可能等于1 lm;对于红外线,1W的辐射通量对应的光通量为0流明。

相信大家也看出来了,流明是通量单位,坎德拉是强度单位,两者数值上是相等的,具体等式是:1 lm= 1 cd ·sr ,即1流明等于1坎德拉乘以1立体角。

 

 

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