什么是光源的照度?在被照物体表面上,单位面积内所接收到的光通量称为光照度(简称照度)。光照度是表征表面被照明程度的量,以E表示,单位为勒克斯(Lx),1Lx=1lm/m2。那么,影响光源照度的因素有哪些?光源照度怎么计算?本文对光源照度影响因素及计算方法做了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!
照射在单位面积上的光通量就是照度E,即E=Φ/S,单位为勒(lx)。lx定义为在1m2,的面积上照有1lm的光通量。照度与成像的好坏有很大关系,为了得到良好的图像,常用强光来照射。由于光强I=Φ/Ω,而立体角Ω又和球半径r有关,这样照度E定义为:E=Φ/S=I/r2,即当光强I一定时,照度与距离平方成反比。光源为平行光束时,照度和距离无关。
为了得到合适的照度,需要研究物体表面被照明的程度究竟与哪些因素有关,下面我们通过简单的实验来分析说明。
打开一盏可调台灯,逐渐调大灯泡的发光强度,观察平放于桌面的书本,表面看上去越来越亮,即照度在增大,若调光旋钮固定,把台灯升高,则可看到平放于桌面的书本表面变暗,即照度在减小。保持台灯的亮度及高度固定不变,将平放于桌面的书本的一边逐渐抬高,使光线与被照平面间的夹角逐渐变小,可以看到,光线垂直照射书本时,书本上获得照度大;光线斜照书本时,书本上获得的照度小,阳光照射到地球表面,在一天当中由于太阳相对地面的位置不断在改变,因此它的光线和地面间的夹角也就不断改变,地面上的照度随着这个改变而变化。可见,照度还跟光线的入射角有关。
实验和理论研究表明:一点光源照射在物体表面上的照度公式为:
上式中:E为照度,I为发光强度,r为距离,θ为入射角,它说明了点光源在物体表面上的照度跟光源的发光强度及光线的入射角的余弦成正比,跟光源到被照面之间的距离的平方成反比。
照度表征的是被照表面单位面积上的光通量。对于单个点光源的照度,其基本计算公式可由下面两个照度定律导出,这两个定律是照度计算的基础。
(1)距离平方反比定律
如上图所示,点光源S在指向平面N(与入射光线垂直的平面)上P点的方向上光强为Iθ,光源到P点的距离为l,投射到包括P点的指向平面上的面元上的光通量为:
因面元dAn很小,可以把它看成是以点光源为球心的球面积的一部分,所以立体角dω可由下式确定:
根据照度的定义,光源在指向平面上P点产生的照度En为:
距离平方反比定律说明,点光源在与照射方向垂直的平面上产生的照度与光源至被照面的距离的平方成反比。
(2)余弦定律
如果图中的P点在水平面H上,则P点的照度为:
式中Iθ——光源在照度计算点方向的发光强度;
cosθ——光源至照度计算点的连线与光源至照度计算平面的垂线之间夹角的余弦;
l——光源至照度计算点的距离。
对于LED照明光源,一般为多个点光源构成。光源的尺寸相比于光源和被照面的距离小于五分之一时,可认为光源为点光源。由于不存在相干的问题,因此当有n个点光源同时照射到工作面时,n个点光源产生的照度等于每一光源分别产生的照度的总和。总照度可用下式表示:
式中Iθn——第n个光源在照度计算点方向的发光强度;
θn——第n个光源至照度计算点连线与光源至照度计算平面垂线之间夹角的余弦;
ln——第n个光源至照度计算点的距离。
当LED照明光源在被照面上各点产生的照度比较均匀时,可用平均照度来表征工作面上照明的程度。此时,照明设计可以采用比较简单的平均照度计算法而使得计算简化,即计算落到工作面上的总光通量除以被照面的面积。
照度与亮度都是度量单位表面通过的光能量强度的物理量,但是它们之间有一些重大的区别,切勿混淆:
1.光线行进的方向不同
亮度是指被测物体发出或反射出的光线;照度则是指被光源照明的入射光线。
2.计测的方式不同
亮度与点光源的发光强度部是有方向的量:同一个物体或光源,在不同的方向上观察(或测量)时,亮度经常是不同的,因此必须强调测量或观察的方向。例如一块质量不好的黑板从正面看很黑,但是从侧面看,由于黑板上反射了窗户中射入的光线可能显得很明亮,甚至看不清黑板上的字迹。常用亮度曲线表明灯具的发光特性或物体的反射特性,从光源或物体表面指向曲线各点箭头的长度表示相应方向亮度的大小。我国闪光灯的行业标准规定,闪光灯的照射角是指当灯的亮度降低为中心值的50%时,两个测量方向间的夹角。照度测量的是单位面积上接受的(各方向)人射光强度的总和,因此照度是没有方向性的量。
3.测量的仪器与测量的方法不同
测量亮度使用亮度计,测量照度则应使用照度计。
4.影响的因素与测试的结果不同
照度仅与光源的特性有关,与照物体的表面特性无关。亮度不仅与光源的发光特性有关,还与被测物的表面特性有关。
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