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什么是光源的发光强度?光源发光强度怎么测量与计算?

文章出处:未知 人气:250发表时间:2023-09-01

什么是光源的发光强度?光源的发光强度是在给定方向上的单位立体角内光源所发出的光通量,发光强度的单位为cd(坎德拉)。那么,光源的发光强度和光通量什么关系?光源发光强度怎么测量与计算?本文对光源发光强度的相关知识做了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

光源发光强度

什么是光源的发光强度?

光强度表示光源在一定方向范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。以光源发射的光通量除以空间的总立体角4π,就是该光源的平均发光强度。以光源(或光源的一部分发光面)在某一方向上“立体角元(dω)”内所发射的光通量除以该“立体角元”,就是光源在这一方向的发光强度。发光强度的单位为坎德拉。不计相对视见率的光源的辐射强度是单位立体角中全部辐射通量,单位为瓦特/球面弧度,其中球面弧度是立体角的单位。


光源发光强度和光通量的关系:

由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的,因此按人眼函数V(λ)来评价的辐射通量Φ(λ)即为光通量Φ,即:

光通量评价公式

式中:Km为明视觉的最大光谱光视效率函数,亦称为光功当量,它表示人眼对波长为555nm处光辐射产生光感觉的效能,按国家实用温标IPTS-168的理论计算,其值为680lm/w。

光度学中最基本的单位是发光强度,单位为坎德拉(cd),它是国际单位制中7个基本单位之一。其定义为555nm的单色辐射在给定方向上的辐射强度为1/683W·sr时,在该方向上的发光强度为1cd。

光通量的单位为流明(lm),它是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角(1sr)内发出的光通量。

如果光源为点光源,并且是均匀发光体,那么光强(I)与光通量(Φ)符合距离反比平方定律。距离平方反比定律来自于点光源向空间发射球面波的特性,即点光源在传播方向某点的辐照度与该点到点光源的距离平方成反比。

在任一锥立体角内,假设在传输路径上没有光能损失或分束,那么点光源向空间发出的辐射通量是不变的。然而位于球心的均匀点光源所张开的立体角所截的表面积却和球半径的平方成正比,这样在球面上的辐照度就和点光源到该面的距离平方成反比,即:Φ=4πI。


光源发光强度的测量与计算方法:

发光强度定义为光源在单位立体角元dΩ内所包含的光通量dΦv,表达式为:

发光强度表达式0101

光强的单位是坎德拉,符号为cd。CIE于 1979 年对坎德拉的定义为:一个光源发出频率为540x1012Hz的单色辐射(对应于空气中波长为555nm的单色辐射),若在一定方向上的辐射强度为1/683W/sr,则光源在该方向上的发光强度为1cd。发光强度的概念要求光源是一个点光源,或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小(这种要求被称为远场条件)。但是在LED测量的许多实际应用场合中,往往是测量距离不够长,光源的尺寸相对太大或者是LED与探测器表面构成的立体角太大,在这种近场条件下,并不能很好地保证距离平方反比定律,实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同,从而严格地说并不能测量得到真正的LED的发光强度。

为了解决这个问题,使测量结果具有可比较性,CIE推荐使用“平均发光强度”概念:照射在离LED一定距离处的光探测器上的光通量Φv与由探测器构成的立体角的比值,其中立体角可将探测器的面积S除以测量距离d的平方得到,如下图所示。

平均发光强度测试原理

因而有如下表达式:

发光强度表达式0102

从物理上看,这里的平均发光强度的概念,不再与发光强度的概念关联得那么紧密,而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。CIE关于近场条件下的LED测量,有两个推荐的标准条件:CIE标准条件A和CIE标准条件B。采用两个条件都要求,所用的探测器有一个面积为1cm2(相应直径为11.3mm)的圆形入射孔径,LED面向探测器放置,并且要保证LED的机械轴通过探测器的孔径中心。

组装的探测器经过标准光强灯校准后,按CIE标准条件放置好测试系统。探测器和测试LED一起置于黑暗的环境下,通入设定的电流值,系统即可获得相应的光强。

通过LED测试底座的机械转动(每次转动的角度为 0.9°),即可获得被测LED的光强空间分布。

通常,LED的光强也可由下式计算得到:

LED的光强计算式

式中r表示LED顶部与照度计之间的距离,E表示测得的照度,见下图。研究者经过试验认为,对于大功率LED,芯片发光面较大,通过环氧透镜会聚的光分布比常规LED更加复杂,CIE推荐的测量标准条件A和标准条件B不一定合适。基于保证测量精度和便于计算的考虑,研究者建议测量大功率LED光强时,LED顶部与照度计之间的距离选为836mm。

照度计测量LED光强原理图

光源发光强度和光照度的关系:

发光强度和照度之间存在一定的关系,发光强度是指光源发出的光强,而照度则是指光源发出的光在某一方向上的光强。发光强度是指光强度的大小,而照度则是指光强度的分布。发光强度越大,照度也越大,反之亦然。因此,发光强度和照度之间的关系是相互影响的,一个影响另一个。

此外,发光强度和照度也受到发光物体的形状和大小的影响。发光物体的形状越复杂,发光强度和照度的差异越大;发光物体的大小越大,发光强度和照度也越大。

发光强度和照度之间存在一定的关系,发光强度越大,照度也越大,发光物体的形状和大小也会影响发光强度和照度。

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