第1章辐射度学与光度学

辐射度学

光度学

色度学

绪论绪论绪论

基本问题辐射度学：

电磁辐射能的度量与测量：研究：电磁辐射能量的定义和测量方法。建立统一的标准。是单纯的客观物理量的问题应用：（所有电磁信息测量问题）宇宙光学、热辐射、遥感、光与物质的相互作用（光化学技术、光生物技术、光的热加工），激光技术等领域

光度学：

可见光辐射能引起的人眼视觉刺激效果的量度和测量。属于心理物理量形式上与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为380～780nm纳米。研究：人眼对光刺激效果的特性（平均特性），刺激效果的量化，刺激量的定义和测量。应用：照明设计，光学仪器、环境工程、视觉研究等领域色度学：

有色光（波长：380~780nm）不同光谱成分辐射能引起的人眼视觉颜色刺激效果的量度和测量。研究：人眼颜色视觉特性、色光刺激与人眼感觉的量化定义、颜色的匹配与显示规律，颜色匹配技术、颜色的测量方法，颜色的分类与排列。应用：（和视觉颜色判断有关问题）颜色本身的测量，温度测量、遥感，管理等所有涉及有颜色的领域。学科区别：

辐射度学：辐射能的客观量度（物理学）

光度学：可见光辐射+人眼对光波的响应效果量度

（物理学+生理学+心理学）

色度学：可见光辐射+人眼对光波颜色的响应量度

（物理学+生理学+心理学+材料学等）第一章：辐射度与光度学的基础问题：如何描述一个辐射体（发光体）的物理特征？我们能测量的辐射物理量是什么？时间的分布？空间的分布？光谱的分布？§1-1辐射度学的基本物理量辐射能：以辐射形式发射、传播或接收的能量。单位为焦耳——J一般可描述辐射能的积累。

辐射通量：（辐射功率）定义：以辐射形式发射、传播或接收的功率（单位时间内的辐射能）单位为W（瓦—焦耳每秒）。意义：描述光源发射辐射的能力。（描述辐射源的时间特性-能量的时间密度）。

（1-1）辐射强度：在给定方向上的单位立体角内点辐射源发出的辐射通量（辐射功率）（1-2）单位：为W/sr（瓦每球面度）意义：描述辐射源发出的辐射通量在空间的分布值（能量的空间密度）。点辐射源：

辐射源尺寸比传输距离小的多。例如在地球上可以把太阳视为点光源。点光源发射球面波，不计辐射损失（反射、散射、吸收）其辐射强度不变：对各向同性点光源有（1-3）

在空间所有方向上有（1-4）

多数光源的辐射强度并不是各向同性的，如白炽灯。

(1-5)

这种情况有：

（1-5）

dΩVNθdSidA辐亮度（L）定义：辐射源在其传输方向上单位表面积上的辐射强度。单位为（瓦每球面度平方米）（1-6）意义：求一小面元上的平均辐射强度，（物理上的点是无穷小的，不便解决测量问题）描述面光源的辐射强度的分布θ是辐射传播方向与面元法线的夹角。辐射出射度

辐射源单位面积上发射的辐射通量。单位（1-7）一般指面辐射源，往半空间2π立体角发射的辐射通量辐照度Ee接收面上单位面元被照射的辐射通量。单位W/m2

（1-8）、光谱辐射量

辐射量随波长的变化率:单位波长间隔内的辐射通量（辐射量的光谱密度）光谱辐射通量：

（1-9）表示辐射源发出的光在某波长处单位波长间隔内的辐射通量。辐射源的总（光谱）通量：(1-10)光谱辐照度：

(1-11)光谱辐亮度(1-12)光谱辐射出射度：(1-13)§1-2朗伯辐射体及其辐射特性

朗伯辐射体：辐射体的辐亮度和方向无关，即辐射源各方向的辐亮度不变。绝对黑体和理想漫反射体是两种典型的朗伯体根据辐亮度的定义：（1-14）

对于面积为A的辐射体，它在某一方向的辐亮度在A上是不变量，则在θ方向的辐射强度（1-15）按朗伯体的定义辐亮度与方向无关，在A上：=常数

定义:为面元法线方向的辐射强度则有：（1-16）此即朗伯定律：

一个辐亮度在各方向都相等的辐射面，在某一方向的辐射强度等于平面法线方向的辐射强度乘以平面法线与指定方向夹角的余弦。朗伯体的辐射出射度：由得dΩVNθdSidA朗伯体的辐射出射度：朗伯体面元dS在半空间上的辐射通量：

由出射度的定义：（1-17）

或：（1-18）例题：（北理工p29)已知:太阳辅亮度:L0=2x107W/(m2.sr),太阳的半径:r0=6.957x108m,地球的半径:re=6.374x106m，太阳到地球的年平均距离:L=1.496x1011m求：太阳的辐射出射度M0、辐射通量Φ0、地球接收的辐射通量Φe、地球大气层边沿的辐照度Ee

解：太阳为朗伯光源因此：其辐射出射度：M0=πL0=6.2832x107W/m2太阳为均匀发光体：其辐射通量：

Φ0=M0

S太阳表面积=4πr02M0=3.821x1026瓦

太阳的辐射强度：I0=Φ0/4π=3.041x1025W/sr地球对太阳的立体角：Ω=πre2/L2=5.703x10-9sr地球接收到太阳的辐射通量：Φe=I0Ω=1.734x1017w地球大气边沿的辐照度E=Φ0/4πL2=I0/L2=1358.79W/m2§2光度学的基本物理量光谱光效率函数V(λ)

人眼对不同波长的光波具有不同的敏感程度

在引起相同视觉的情况下，若所需某单色的辐射通量越小，则说明人眼对该光敏感度越高；反之，越低。为描述这一敏感度，引入光谱光效率函数。定义：人眼对各种单色光的（人）平均敏感度。意义：描述在辐射通量相同的情况下，人的眼睛对各种不同波长的辐射产生的主观（亮度）感觉。问题：怎样确定光谱光视效率（函数）？

(异色)逐级比较法:波长λ1、λ2两束光，辐射通量分别为Φ(λ1)和Φ(λ2)，在视场中亮度相等时有V(λ1)Φ(λ1)=V(λ2)Φ(λ2)将V（λ）在峰值波长处归化为1:V(555nm)=1V（λ）≤1（无量纲的系数；权重因子）4005076007901700暗视觉555明视觉3、实验曲线：人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感，光度学中规定其视见函数为1，则视见函数的实验曲线如下图示：2、光度学的基本概念1、光通量：定义：辐射通量与视见函数的乘积。2—1意义：光源发出的辐射能通量通过视见函数的权重因子折合成对人眼起作用有效视觉强度.单位：流明（lm）2、光源发出可见光的效率—光视效能（电光转换效率）Km:最大光视效能。对应于明视觉(>3cd/m2)对应波长：555nm，Km

=683lm/w

Km’对应于暗视觉(0.001cd/m2),对应波长507nm，Km’=1725lm/w对于其他波长：K（λ）=KmV（λ）lm/w说明：明视觉：2度视场、暗视觉：10度视场光通量与电光效率的测量用积分球测量光源和灯具的总光通量常见光源的光视效能（lm/w)（电光转换效率）钨丝灯：10-20卤钨灯：30萤光灯：30-60高压汞灯：60-70钠灯：60-80LED:60-1203、发光强度1、定义：点光源在单位立体角内发出的光通量。2、意义：描述光源发出的光通量在空间一定范围内的分布值。3、单位：坎德拉通常随方向而异。当不随方向变化时，发光物体称均匀发光体。一般均假设点光源表征的物体为均匀发光体，故点光源辐射的光通量：4、照度1、定义：入射在受照物体单位面积上的光通量。2、意义：描述受照物体被照明的程度。3、单位：勒克斯4、点光源的照度：辐透：照度计一些实际情况下光照度近似值（lx)晴朗的夏日采光良好的室内照度——100~500夏天太阳不直接照到的露天地面照度：1000~10000正午露天地面照度——100000工作场所必须照度：——20~100满月夜空在地面的照度：——0.2无月夜空光在地面的照度：——3/100005、光亮度：光源单位面积上的发光强度（光源在指定方向单位面积上的发光能力，2—8单位为：坎德拉每平方米（cd/m2）如果平面法线与观察方向成θ角上式为

由可得

2—92—9式可以看作是亮度的较通用的定义式，有这个式子可以进一步把亮度的概念引申。亮度不仅可以用来描述一个发光面，还可以用来描述光路中的任意一个截面，如一个透镜的有效面积或一个光阑所截的面积。还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面积和这束光的立体角。一些实际光源的光亮度近似值（cd/m2)地球大气层外看太阳190x107地面上看到太阳150x107钨丝白炽灯500~1500x104煤油灯1.5x104

距太阳为750度角的明朗天空0.15x104阳光照明的洁净雪面3x104无月的夜空10-41mW氦氖