第一章 辐射度量、光辐射度量基础

1、第第1章章 辐射度量、光辐射度量基础辐射度量、光辐射度量基础 主讲：王元樟主讲：王元樟 副教授副教授 E-mail： 第第1章、辐射度量、光辐射章、辐射度量、光辐射 度量基础度量基础 n1.1 1.1 辐射度量辐射度量 n1.2 1.2 光度量光度量 n1.3 1.3 人眼视觉特性人眼视觉特性 n1.41.4 朗伯辐射体及其辐射特性朗伯辐射体及其辐射特性 n1.5 1.5 几种典型光辐射量的计算公式几种典型光辐射量的计算公式 1.1 辐射度量辐射度量 1.1.11.1.1、立体角、立体角: :（） 立体角立体角是描述辐射能向空间发射、传播或被某一表面接收时的发是描述辐射能向空间发射、传播或被某

2、一表面接收时的发 散或会聚的角度。散或会聚的角度。 定义：以锥体的基点为球心做一球表面，锥体在球表面上所截取部分的定义：以锥体的基点为球心做一球表面，锥体在球表面上所截取部分的 表面积表面积dSdS和球半径和球半径r r平方之比平方之比 定义式定义式: :=S/r=S/r2 2 单位单位: :球面度球面度sr(steradians) , 即以锥顶为球心，以即以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，为半径作一圆球， 如锥面在圆球上所截面积等于如锥面在圆球上所截面积等于r2， 该立体角为一个球面度。该立体角为一个球面度。 整个球面度为整个球面度为: :=S/r=S/r2 2=4=4 半个球面度为半个球面

3、度为: :=S/r=S/r2 2=2=2 1.1 辐射度量辐射度量 n1.1.2 1.1.2 辐射度量的名称、定义、符号及单位辐射度量的名称、定义、符号及单位 （GB 3102.6-1982)GB 3102.6-1982) 1 1、辐射能：、辐射能：(Radiant energy)(Radiant energy) 定义：辐射能简称辐能，描述以辐射的形式发定义：辐射能简称辐能，描述以辐射的形式发 射、传播或接收的能量，单位焦耳（）。射、传播或接收的能量，单位焦耳（）。 当描述辐射能量在一段时间内积累时，用当描述辐射能量在一段时间内积累时，用 辐能来表示。辐能来表示。 2 2、辐能密度（、辐能密度

4、（w） 辐能密度定义为单位体积元内的辐射能，辐能密度定义为单位体积元内的辐射能， 即即w=dQ/dvw=dQ/dv 3.3.辐射通量：辐射通量：( (,P)(Radiant flux),P)(Radiant flux) 又称又称: :辐射功率辐射功率 PePe（Radiant power)Radiant power) 定义定义: :以辐射的形式发射、传播或接收的功率，以辐射的形式发射、传播或接收的功率， 用以描述辐能的时间特性。实际应用中，对于连用以描述辐能的时间特性。实际应用中，对于连 续辐射体或接收体，以单位时间内的辐射能，即续辐射体或接收体，以单位时间内的辐射能，即 辐射通量表示。辐射通

5、量表示。 定义式定义式: : 均匀辐射均匀辐射: : 单位单位: :瓦特瓦特( () )或焦耳或焦耳/ /秒秒(J/S(J/S） =1J/S=1J/S e e dQ dt e e Q t 4 4、辐射强度（、辐射强度（I I） 定义：在给定传输方向上的单位立体角内光定义：在给定传输方向上的单位立体角内光 源发出的辐射通量。源发出的辐射通量。 、定义式、定义式: : 均匀辐射均匀辐射: : 、单位、单位: :瓦瓦/ /球面度（球面度（W/SrW/Sr） 、均匀点辐射源（各向同性）、均匀点辐射源（各向同性）I Ie e不随方向变而不随方向变而 变，故整个球面的辐射通量为：变，故整个球面的辐射通量为

6、： e eI Ie e4 4I Ie e e I e d d e I e 5 5、辐亮度、辐亮度: :（) ) (Radiance)(Radiance) 1.1.定义定义: :光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积 单位立体角内发出的辐射通量。沿单位立体角内发出的辐射通量。沿r r方向的辐射方向的辐射 强度强度I Ie e与面元与面元dA(dA(在垂直于在垂直于r r方向平面正投影面积方向平面正投影面积 dA)dA)的比值称为的比值称为dAdA沿沿r r方向的辐射亮度。方向的辐射亮度。 2.2.定义式定义式: : 3.3.单位单位:w/(m:w/(m2 2Sr

7、)Sr) coscos eee e dIdId L dAdSdAd 6 6、辐射出射度、辐射出射度: :（M M） (Radiant exitance)(Radiant exitance) 1.1.定义定义: :辐射体单位元表面所辐射的通量辐射体单位元表面所辐射的通量 2.2.定义式定义式: : 均匀辐射均匀辐射: : 3.3.单位单位:w/m:w/m2 2 e M e d dA e M e A n辐射照度辐射照度:Ee(Irradiance):Ee(Irradiance) . .定义定义: :被辐射的单位元表面里入射或获得的辐被辐射的单位元表面里入射或获得的辐 射通量的多少射通量的多少 .

8、.定义式定义式: : 均匀辐射均匀辐射: : . .单位单位:w/m:w/m2 2 e E e d dA e E e A n辐射出射度与辐射照度的区别：辐射出射度与辐射照度的区别： 辐射出射度与辐射照度的表达式和单位完全相同辐射出射度与辐射照度的表达式和单位完全相同 区别在于区别在于:M:Me e描写面辐射源向外发射的辐射特性描写面辐射源向外发射的辐射特性(a)(a) E Ee e描写辐射接受面所接受的辐射特性描写辐射接受面所接受的辐射特性(b)(b) 1.2 光度量光度量 光度学中以光强的单位光度学中以光强的单位“坎德拉坎德拉”作为基本单位，作为基本单位， 其他光度量的单位作为导出单位其他光

9、度量的单位作为导出单位 n光通量光通量v v(luminous flux)(luminous flux) 1.1.定义：光源在单位时间内发出的光量的多少定义：光源在单位时间内发出的光量的多少 2.2.公式：公式：v=dQv/dtv=dQv/dt 3.3.单位：单位：lmlm（流明）（流明） n光强光强I Iv v(luminous Intensity)(luminous Intensity) 1.1.坎德拉坎德拉(cd)(cd)的最新规定：即一个烛光，它是光源的最新规定：即一个烛光，它是光源 发出频率为发出频率为540540101012 12Hz Hz的单色辐射，在给定方向的单色辐射，在给定方

10、向 上的辐射强度为上的辐射强度为1/683w/Sr1/683w/Sr时，其光强为坎（时，其光强为坎（cd)cd) 2.2.光强定义光强定义: :光源在指定方向上通过单位立体角内光源在指定方向上通过单位立体角内 的光通量的多少的光通量的多少 3.3.光强公式光强公式: :v=dv=dv/dv/d 发光均匀分布发光均匀分布: :v=v=v/v/ 4.4.单位单位:cd:cd（坎德拉）（坎德拉） I w n光出射度光出射度M Mv v(Lminous exitance)(Lminous exitance) 1.1.定义：面光源单位元表面内向外所发射的光通量定义：面光源单位元表面内向外所发射的光通量

11、2.2.公式：公式：M Mv v=d=dV V/d/d 发光均匀：发光均匀：M=M=v/v/ 3.3.单位：单位：lm/mlm/m2 2（流明（流明/ /平方米）平方米） n光照度光照度E Ev v(illuminance)(illuminance) 1.1.定义定义: :被照物体单位元表面里入射或获得的光通被照物体单位元表面里入射或获得的光通 量的多少量的多少 2.2.公式：公式：Ev=dEv=dv/dv/d 光通量分布均匀：光通量分布均匀：Ev=Ev=v/v/ 3.3.单位单位:lx:lx（勒克斯（勒克斯) ) 照照 度度 流 明 面积 (m2) n光亮度光亮度L Lv v(luminan

12、ce)(luminance) 1.1.定义定义: :面光源在给定方向上，单位正投影面积的面光源在给定方向上，单位正投影面积的 发光强度发光强度 2.2.公式公式: : 光通量分布均匀：光通量分布均匀： 3.3.单位单位:cd/m:cd/m2 2( (坎德拉坎德拉/ /平方米平方米) ) coscos dIdId L dAdSdAd coscos IIE L ASA n光效光效 1.1.定义定义: :面光源发出的总光通量与它所消耗的电功面光源发出的总光通量与它所消耗的电功 率之比称为光源的发光效率率之比称为光源的发光效率 2.2.公式公式: := =v/Pv/P电电 3.3.单位单位:lm/w:

13、lm/w 4.4.对于白炽灯对于白炽灯: : 直流供电气体放电灯：直流供电气体放电灯：P P电电= =U U灯灯I I灯灯 交流供电气体放电灯： 交流供电气体放电灯：P P电电=U=U灯灯I I灯灯coscos 5.5.常见几种灯的发光效率：常见几种灯的发光效率： 白炽灯：白炽灯：8-17lm/w 8-17lm/w 金属卤化物灯：金属卤化物灯：45-60lm/w45-60lm/w 日光灯：日光灯：30-60lm/w 30-60lm/w 高压钠灯：高压钠灯：100-150lm/w100-150lm/w 低压钠灯：低压钠灯：180-200lm/w180-200lm/w n光谱密集度：光谱密集度：

14、. .定义：包含该波长的无穷小波长间隔内的辐射定义：包含该波长的无穷小波长间隔内的辐射 通量与相应波长间隔之商称为光谱密集度通量与相应波长间隔之商称为光谱密集度 . .公式：公式： 注注:X:Xe e代表任何一个辐射量代表任何一个辐射量 e.g:e.g:光谱辐射通量为光谱辐射通量为: : 指的是单位波长间隔内向外辐射通量的多少指的是单位波长间隔内向外辐射通量的多少 () e x e dX d () e e d d 1.3 人眼视觉人眼视觉 眼睛的特性：眼睛的特性： 锥体细胞的感光灵敏度低，在锥体细胞的感光灵敏度低，在cd/mcd/m2 2的亮度条件下作用，的亮度条件下作用， 能分辨物体的颜色和

15、细节称之为锥体视觉又称明视觉能分辨物体的颜色和细节称之为锥体视觉又称明视觉 （hotopic Vision)hotopic Vision) 杆体细胞只能在黑暗的环境下（杆体细胞只能在黑暗的环境下（L=3L=31010-5 -5 cd/m cd/m2 2以下以下) )作作 用，称之为暗视觉（用，称之为暗视觉（Scotopic Vision)Scotopic Vision) 介于这两视觉之间的视觉称之为中间视觉介于这两视觉之间的视觉称之为中间视觉 （正常人眼睛对黄绿光最灵敏，对红光和紫光最不灵敏）（正常人眼睛对黄绿光最灵敏，对红光和紫光最不灵敏） 光谱光视函数曲线光谱光视函数曲线: : 1.1.光

16、谱光视效率光谱光视效率V V( ():):设引起相同视觉的波长和波设引起相同视觉的波长和波 长为长为555nm555nm的辐射通量分别为的辐射通量分别为 和 和555555则视觉则视觉 函为函为:V:V( ( ) )= =555555/ / 是个无量纲的物理量 是个无量纲的物理量 . .物理意义物理意义:V:V( ( ) )反映人眼对各种不同波长光的视反映人眼对各种不同波长光的视 觉灵敏度将觉灵敏度将555nm555nm所对应的黄绿光波长的光谱所对应的黄绿光波长的光谱 光视效率值定为，为最大值；红光和紫光的光光视效率值定为，为最大值；红光和紫光的光 谱光视效率值最小；红外和紫外光的光谱光视效谱

17、光视效率值最小；红外和紫外光的光谱光视效 率值为率值为 . .由图看出：由图看出： 明视觉条件下明视觉条件下V V( ( ) )所对应的峰值波长为所对应的峰值波长为555nm555nm， 暗视觉条件下暗视觉条件下V V( ( ) )所对应的峰值波长为所对应的峰值波长为507nm.507nm. 暗视觉暗视觉 明视觉明视觉 光度量与辐射量的关系光度量与辐射量的关系: : 研究表明：明视觉条件：研究表明：明视觉条件： 暗视觉条件： 暗视觉条件： K Km m：最大光谱光效能（单位：最大光谱光效能（单位：lm/w)lm/w) 780 V()() 380 X me KXVd 780 V()() 380

18、X me KXVd 明视觉条件：明视觉条件：K Km m=683 lm/w =683 lm/w 暗视觉条件：暗视觉条件：K Km m =1725 lm/w =1725 lm/w 故光通量与辐射通量的关系：故光通量与辐射通量的关系： 780 V()() 380 683 e Vd 1.41.4光源的颜色与色温光源的颜色与色温 n光源的颜色：（色表和显色性）光源的颜色：（色表和显色性） 1.1.光源的色表光源的色表: : 光源发光时，人眼直接看光源时光源所呈现的光源发光时，人眼直接看光源时光源所呈现的 颜色颜色 2.2.光源的显色性光源的显色性: : 某光源与标准光源分别照射同一物体时某光源与标准光

19、源分别照射同一物体时, ,人眼所人眼所 产生的颜色类别用显色指数来定量描述产生的颜色类别用显色指数来定量描述 CIE 计算计算CRI值的色板值的色板 显色指数显色指数 显色指数：用数字来表达演色能力显色指数：用数字来表达演色能力 带有黄色滤片的白炽灯光照下的 显色性 在低压钠灯光照下的显色性 显色性显色性 n几种灯的颜色特性：几种灯的颜色特性： 1.1.高压汞灯高压汞灯: :色表色表，显色性，显色性 2.2.白炽灯白炽灯: :色表色表，显色性，显色性 3.3.钠灯钠灯: :色表和显色性色表和显色性 被照物体颜色会失真被照物体颜色会失真 结论结论: : 自身发光的物体颜色由光谱功率分布自身发光的

20、物体颜色由光谱功率分布 决定。决定。 本身不发光的物体颜色取决于光谱功本身不发光的物体颜色取决于光谱功 率分布和物体的发射特性或透射特性。率分布和物体的发射特性或透射特性。 色温与相关色温色温与相关色温: : . .色温色温:T:Tc c(colour temperature)(colour temperature) 待测辐射源在温度待测辐射源在温度T T时所呈现的颜色与某一温度时所呈现的颜色与某一温度 T Tc c时的黑体颜色相同时的黑体颜色相同( (色品相同色品相同) )则称则称T Tc c为该辐射体为该辐射体 光源的颜色与色温的色温度。简称色温光源的颜色与色温的色温度。简称色温T Tc

21、c( (单位单位: :) ) 各光源的色温各光源的色温 . .相关色温：相关色温： 在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体色品最接在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体色品最接 近的色温度称之为相关色温用表示（单位：）近的色温度称之为相关色温用表示（单位：） u-v色度图中黑体轨迹和等色温线色度图中黑体轨迹和等色温线 为了使照明具有良好的效果，所选用的光源的色温必须与要为了使照明具有良好的效果，所选用的光源的色温必须与要 求的照度相适应求的照度相适应. . 照度和光源色温的关系 . .光辐射测量中的定律与定则光辐射测量中的定律与定则 n朗伯定律或理想漫射面的余弦定则朗伯定律或理想漫射面的余弦定则:

22、 : . .朗伯定律朗伯定律 在在方向上：方向上： 在法线方向上：在法线方向上： 如果发光面或漫射面的辐亮度不随方向而改变，则如果发光面或漫射面的辐亮度不随方向而改变，则 故故 2.2.遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源 只有绝对黑体和理想漫反射体才是朗伯光源只有绝对黑体和理想漫反射体才是朗伯光源 c o s I L d A 0 0 I L d A 0 0 cos II LL dAdA 0 cosII 3.3.朗伯光源的特性朗伯光源的特性 单位面积上的光出射度为其亮度的单位面积上的光出射度为其亮度的 倍：倍： 或或 当二个元表面当二个元表面dAdA1 1. .dAdA

23、2 2亮度相等时亮度相等时, ,一元表面发射一元表面发射 到另一元表面的光通量等于它自身获得的光通量到另一元表面的光通量等于它自身获得的光通量 即即 /LMMLE ：漫射系数 12211212 2 coscos L dddAdA l （传播定律） n距离平方反比定律距离平方反比定律 . .在在rdArdA方向上的光强为方向上的光强为: : 面积为面积为dAdA的照度的照度E E为为: : 而而 故故 垂直于光线传播方向的被照元表面的照度与光强成垂直于光线传播方向的被照元表面的照度与光强成 正比，而与光源到被照元表面的距离平方成反比即正比，而与光源到被照元表面的距离平方成反比即 为距离平方反比定律为距离平方反比定律( (图如下）图如下） dI Ed dAdA 2 /ddA l 2 /EI l S dA r l /Idd . .当被照元表面当被照元表面dAdA到光源的距离由到光源的