光学基本知识1.doc

国际单位制(SIE 单位制)的光度单位 光 度 量几 何 学 名称符号单位英文名 光强度 I 坎德拉 Candela(cd) 光照度 E 勒克斯 Lux(lx) 光亮度 L 尼特 Nit 光通量 φ 流明 Lumen(lm) 与心理学关系密切的单色光单位有: 1.光强度 光强度(luminous intensity)是光源在单位立体角内辐射 的光通量,以 I 表示,单位为坎德拉(candela,简称 cd).1 坎德拉表示在 单位立体角内辐射出 1 流明的光通量. 2.光通量 光通量(luminous flus)是由光源向各个方向射出的光功 率,也即每一单位时间射出的光能量,以 φ 表示,单位为流明(lumen,简称 lm).3.光照度 光照度(illuminance)是从光源照射到单位面积上的光通 量,以 E 表示,照度的单位为勒克斯(Lux,简称 lx). 4.反射系数 人们观看物体时,总是要借助于反射光,所以要经常用到 “反射系数“的概念.反射系数(reflectance factor)是某物体表面的流 明数与入射到此表面的流明数之比,以 R 表示. 5.光亮度 光亮度(luminance)是指一个表面的明亮程度,以 L 表示, 即从一个表面反射出来的光通量.不同物体对光有不同的反射系数或吸收系 数.光的强度可用照在平面上的光的总量来度量,这叫入射光(inci-dent light)或照度(illuminance).若用从平面反射到眼球中的光量来度量光 的强度,这种光称为反射光(reflection light)或亮度(brightness). 例如,一般白纸大约吸收入射光量的 20%,反射光量为 80%;黑纸只反射入 射光量的 3%.所以,白纸和黑纸在亮度上差异很大. 亮度和照度的关系如图 6-2(a)所示,最常用的照度单位是呎烛光 (footcandle).1 呎烛光是在距离标准烛光一英尺远的一平方英尺平面上 接受的光通量.如果按公制单位,则以米为标准,照度就用米烛光 (metrecandle)来表示,即 1 米烛光是距离标准烛光一米远的一平方米面积 上的照度.1 米烛光等于 0.0929 呎烛光. 从图 6-2 上,我们不难理解亮度和照度之间的关系,其关系为: L=R×E [公式 6-1] 式中 L 为亮度,R 为反射系数,E 为照度. 因此,当我们知道一个物体表面的反射系数及其表面的照度时,便可推 算出它的亮度. 亮度也有几种度量单位.亮度的单位是用一种理想化了的标准状态来定 义的(如图 6-2b).以一支标准蜡烛当作光源,放在一个半径为 1 公尺的 球体的中心位置.假设这个蜡烛会均匀发散它的全部光线,则落在球体内表 面一平方公尺表面积上的所有光量为 1 个流明(lumen).实际应用中,亮度 单位用流明太小了,所以通常取其十倍的单位——毫朗伯(millilambert) 来表示.比毫朗伯稍大的单位是呎朗伯(footlambert),1 毫朗伯等于 0.929 呎朗伯.英国标准的呎朗伯是用光源的烛光数,从光源到表面积的英尺数和 表面的反射率来规定的.在有些国家,普遍使用的是米制单位,是以毫朗伯 为基础的[1 毫朗伯(mL)=0.929 呎朗伯(ftL)=3.183 烛光/平方米(c/m2) =10 阿普熙提(apostilbs)].光亮度的单位还有:坎德拉/平方米(即尼特, Nit=1cd/m2)等. 多年来，感光材料的感光度计算方法是以使感光材料产生一定密度值所需曝光 量为计算依据的，而曝光量又是以烛光.米.秒或勒克司*秒为计量单位的。

曝光量的计算公式是； H（曝光量）=E（照度）×t（时间） 照度与光源的发光强度（光强 I）成正比： E=I（光强）×D-2（D 为距离） 光强的单位： （旧）烛光：又名国际烛光，国际标准照明协会（CIE）早期规定的，以特定的 鲸鱼油蜡烛的单位发光强度为单位，这也是烛光一词命名的由来显然，当时 主要是以光源的亮度为依据的（亮度的定义是：单位面积发光体的光强） （新）烛光，法定名称坎德拉 candela.cd,CIE（1942）定义为一平方厘米绝对 黑体在金属铂的凝固温度（2045K）时发光强度的六十分之一，这个规定既确定 了其亮度，又确定了其色温 新烛光=0.981 旧烛光 1979 年，CIE 又对坎德拉规定了新的标准：定义频率为 540×1012Hz（即波长 555nm）的单色光源每单位立体角（1 个球面度）辐射能为 1／683W 时的发光强 度这个定义把光强单位和能量绝对单位联系起来了，含义覆盖面更广了特 别规定单色光源的波长，进一步把光的波长和机械能与亮度和光强联系起来 在通常的感光测定工作中，都采用白光作为感光仪的光源和施照光，严格规定 其色温和光强，并以烛光为光强单位，以勒克司 lx 为照度单位，以 lx*s 为曝 光量单位，并以这些单位为基础的数据评价照相性能，计算感光材料的感光度， 这无疑是很实用的常规方法。

这个方法检测的数据和通常感光材料在应用时的 实用性能是一致的，但是这仅适用于在实际应用时用白光曝光的感光材料 对于实际应用时，用红外线或紫外线曝光的感光材料，或只对可见光谱中某个 范围曝光的感光材料，则必须采用红外线、紫外线或特定光谱成分色光作为感 光测定曝光时的施照光，才能反映其在实际应用时的性能若尚采用白光作为 感光测定时曝光的施照光，则根本不能反映这类感光材料的实用性能 而在不用白光作为施照光进行曝光时，曝光量的计量单位显然不能以烛光为基点了，以红外光线为例，属不可见光线，一个很强的红外线光源（或紫外线光 源） ，能发射很强的红外辐射能，能使红外感光胶片充分曝光，但其亮度和光强 却是 0 cd/m2 或 0 cd，而其曝光量，即胶片所接受的辐射能量，显然不等于零， 因此必然应选定别的单位，而不是烛光单位，来计量这类辐射能了，采用机械 能基本单位作为计量单位显然可以解决这个问题，也更能反映其他用特定光谱 施照光进行曝光的情况 我们知道，机械能量相等，而波长不同的光线产生的亮度感觉是不同的，亮度 和能量强度是两个不同的概念，这是由人的视觉生理效应造成的，最强的光感， 即可见性高峰，处于黄绿色的近 555 纳米处，该波长的光线 1 个瓦特（W）的能 量能产生 683 流明（lm）的光通量： 1W(λ=555nm)=683lm 而其他波长（λ）的光线则产生的明亮度各不相同，这种特性可称之为可见度 Visibility(V),即： V=f(λ)〔1〕 我们取人眼视觉灵敏的 555 纳米光波的可见度，作为可见度系数 Visibility coefficient 的基准值 1.0，则其他波长光线的可见度系数 V(λ)见于表 1〔1〕 。

这样 1W=683V(λ)1m 1j=1 W.s 1 j=683V(λ)1m.s 1 lx(勒克司)=11m(流明)/m2 所以，曝光量 1j/m2=683V(λ)1m.s./m2=683V(λ)lx.s(cd.m.s) 这个公式把以物理量焦耳（j=107erg）为基本单位计量的能量与传统的曝光量 单位 lx.s 联系起来了 以某个光源 E 为例，若其光谱成分为 E(λ)，则其辐射能以 W/m2 计应为： Ee=∫∞0E（λ）dλ W/m2 〔2〕 〔3〕 此辐射能若以 lm/m2 计算，则应为： Ev=683∫∞0E（λ）V(λ)dλ lm/m2 或 lx 设该辐射施照时间为 t，则曝光量 H 为： H＝Ee t＝t.∫∞0E（λ）dλ Ws/m2 (1) H＝Ev t＝t.683∫∞0E（λ）V(λ)dλ lx.s (2) ∵lj=1 W.s ∴H=t∫∞0E（λ）dλ j/m2 利用这两个公式，我们可以把感光仪的曝光量以传统的 lx.s(cd.m.s)为计量单 位，也可以 j/m2 为计量单位后者对于红外感光材料和紫外感光材料尤其重要， 因为其所敏感的光谱区域的可见度系数 V（λ）是零。

因此，越来越多的感光 材料现在采用物理量单位 j/m2 作为曝光量计算单位，所得到的数据覆盖面大，对比性更强本文所讨论的医用感绿 X 线胶片感光度的计算问题，由于感光仪 采用特定光谱的施照光进行曝光，因此也必须采用物理量单位焦耳作为计量单 位 在感绿 X 线胶片感光测定时，规定了感光仪曝光时的施照光的光谱成分，并且 推荐了下列的一组实现这种光谱成分的实用系统，我们试就以这组系统为依据， 采用上文的公式，进行感光度计算 系统参数：光源色温 2650K，光谱函数 S（λ） ，滤色镜系统 Corning Glass4010 透过率函数 T（λ） 由于引进了滤色镜系统的光谱透过率函数 T（λ）公式〈1〉应变为： H＝t∫∞0E（λ）T(λ)dλ (3) 以(2)除(3) (4) E（λ）是光源的光谱分布函数，若以相对值函数 S 表示：S（λ）=C.E（λ）： C=常数则（4）成为 (5) 曝光量 H=Et (6) 对于感绿 X 线胶片而言，胶片主要感色范围和施照光的光谱范围主要在 450- 610nm 故〈6〉成为： (7) 我们对（7）式的分子和分母分别计算： 表 1 ∫610450S（λ）T(λ)dλ 的计算数据 λ(nm) S(λ)2650K T(λ)% S(λ)T(λ)% 450 0.279 0.2 0.0558 460 0.325 0.7 0.2275 470 0.375 1.9 0.7125 480 0.430 4.5 1.935 490 0.488 8.7 4.2456 500 0.551 14.5 7.9895 510 0.617 20.2 12.4634 520 0.687 23.9 16.4193 530 0.761 23.9 18.1879 540 0.838 20.3 17.0114 550 0.918 14.9 13.6782 560 1.000 9.4 9.4 570 1.085 5.2 5.642 580 1.172 2.6 3.0472 590 1.261 1.2 1.5132 600 1.351 0.5 0.6755 610 1.443 0.2 0.2886 总和：113.4906% 表 2 ∫∞0S（λ）V(λ)dλ 的计算数据 λ(nm) S(λ)2650K V(λ) S(λ)V(λ) 400 0.112 0.000 0.0000 410 0.137 0.001 0.0001 420 0.167 0.004 0.0007 430 0.200 0.012 0.0024 440 0.238 0.023 0.0072 450 0.279 0.038 0.0106 460 0.325 0.060 0.0195 470 0.375 0.091 0.0341 480 0.430 0.139 0.0598 490 0.488 0.208 0.1015 500 0.551 0.323 0.1780 510 0.617 0.503 0.3103 520 0.687 0.710 0.4878 530 0.761 0.862 0.6560 540 0.838 0.954 0.7994 550 0.918 0.995 0.9134 560 1.000 0.995 0.995 570 1.085 0.952 1.0329 580 1.172 0.870 1.0196 590 1.261 0.757 0.9545 600 1.351 0.631 0.8525 610 1.443 0.503 0.7258 620 1.536 0.361 0.5545 630 1.629 0.265 0.4317 640 1.772 0.175 0.3101 650 1.8。