光度學

光度學是為研究光之發射、傳遞、吸收和散射等過程，視為能光能量計算的學科，

其研究各種光量，如光通量、發光強度、光輝度、光照度等的定義及其單位之選定，

及和其他物理通亮之間的關係，且研究光量測儀器之設計、製造、測量方法。以能量 觀點來說，光線只能表現光的傳遞方向，無法表示出與能量的相關訊息。但在光學系 統中，除了傳遞光訊息外，它還是具有光能的傳遞，因此光學系統所傳遞的能量是否 能被接受，這對於系統而言非常重要。

(1) 發光強度(Radiant intensity)

為了表現點光源的光通量之空間分佈，定義其點光源在某方向上之單位立體角內 發出的光通量為該方向之發光強度。發光強度的國際單位為燭光(candela)=流明/立體 角，符號為 cd，又稱為坎德拉。

1 1

lm

cd

=

sr

（3.10）

發光強度是以表示光源發光強弱程度的物理量，與測量輻射強度或測量能量 強度之單位(瓦)相互比較，發光強度的定義考慮了人的視覺因素與光學特點，它是以 人類的視覺基礎上建立而成。

(2) 光通量

在光線充足環境條件下，經實驗而發現，人類的眼球對於 555nm 左右的黃綠光 最為敏感。假設波長 555nm 和λ 兩種光所引起的相同明亮感覺，分別需要輻射能通 量Φ 和⁵⁵⁵ Φ 瓦特，我們將其的比值稱為視見函數(luminosity function)。 ^λ

V

( ) ⁵⁵⁵

λ

=^Φλ

Φ （3.11）

試見函數是用來表示人類眼球對於各種波長光的相對敏感度。對於波長為λ 的單 色光，其輻射能通量 ( )Φ

λ

和視見函數 ( )

V λ

的乘積稱為光通量。

F

( )

λ

=

V

( ) ( )

λ

Φ

λ

（3.12）

m2

cos

B F

d ds θ

= Ω （3.13）

光通量 Q(Luminous flux)和輻射通量(Power or Radiant flux)有相同的量級，但在國 際單位至中，輻射能通量的單位為瓦特(Watt)，而光通量的單位則為流明 Lumen(lm)，

兩者的關係為 1W=683lm 或 1lm=0.00146W，應當注意的是 lm 與 W 之間的換算關係 隨著波長的不同而異，因此對於波長為λ 的單色光 1W=683

V

( )

λ

lm。在光學中，flux 和 power 屬於同義的名詞，其物理意義為單位時間 t 通過的能量。

dQ

φ

=

dt

（3.14）

(3) 輝度(Luminance or Brightness)

前述引用的發光強度表明點光源在某方向上單位立體角內發出的光通量，而它無 法描述面光源上的各小面積所發出的總光通量之空間分佈，由此可見，需要引入一個 新的物理量-輝度，即為發光表面某方向的光亮度等於該方向上單位投影面積在單位 立體角內發出的光功率。在國際單位制中，光亮度的單位為 Nit(nt)=lm/m -sr=cd/² m 。 ²

1 1

cd

₂

nt

=

m

（3.15）

(4) 照度

尺寸無限小的點光源只存在相對意義上，實際的發光源都具有一定的面積。為了 表現面光源上各點的發射能力，我們定義面光源上單位面積接收的總光通量為該面積 所在點的光照度(illuminance)，單位為 Lux(lx)，1lx=1lm/m²，另一個更大單位是 Phot(ph)，1ph=10 lx。ㄧ般所指的夠不夠亮，就是代表照度，居家的照度一般建議在⁴ 100~300lux 之間，而閱讀時所需要大約為 600lux。若面積為 ds，沿發光面ㄧ側各方 向發光的總光通量為 dF，則光照度為

dF

R=dS （3.16）

(5) 輻射度學(Radiometry)與光度學(Photometry)

輻射度學是關於電磁輻射定量及量測的學科，它是量測電磁波的一種科學，所測 量到的量為絕對的量，因為光是一種能量，輻射能量會經由介質轉變成其它能量，在 SI 單位中所使用到的基本單位為焦耳(joule)。而光度學則是量測可見光的科學，是根 據人類的眼球所對於光感知能力的一種物理量，基本單位是流明(lumen)，與輻射物 理量有ㄧ加權函的對應，如表 3.2。

表 3.1 SI radiometry units

輻射度學量

物理量 符號及定義 單位

輻射能(Radiant energy)

Q

焦耳(joule)

輻射通量(Radiant flux)

Φ

^瓦特(watt)

輻射強度(Radiant intensity)

I W sr

輻射輝度(Radiance)

L

2

W sr m ⋅

輻射照度(Irradiance)

E

、

I

2

W m

表 3.2 SI photometry units

光度學量

物理量 符號及定義 單位

光能(luminous energy) Q ^V 流明 秒(lm s)

光通量(luminous flux)

F

( )

λ

= Φ( ) ( )

λ V λ

流明(lm)

發光強度(luminous intensity)

dF I

=

d

Ω 燭光(cd)

照度(illuminance) dF R=dS

勒克斯(lx 或 lm/m ) ²

光亮度/輝度(luminance) ² cos

B d F

d ds θ

= Ω 尼特(nits 或 cd/m ) ²

在文檔中 中 華 大 學 (頁 33-37)