第一章辐射度量、光辐射度量基础

第1章辐射度量、光辐射度量基础主讲：王元樟副教授E-mail：wangyzh2006@126.com第1章、辐射度量、光辐射度量基础§1.1辐射度量§1.2光度量§1.3人眼视觉特性§1.4朗伯辐射体及其辐射特性§1.5几种典型光辐射量的计算公式§1.1辐射度量1.1.1、立体角:（Ω）立体角Ω是描述辐射能向空间发射、传播或被某一表面接收时的发散或会聚的角度。①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dS和球半径r平方之比②定义式:Ω=S/r2

③单位:球面度sr(steradians),即以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，如锥面在圆球上所截面积等于r2，该立体角为一个球面度。④整个球面度为:Ω=S/r2=4Л半个球面度为:Ω=S/r2=2Л§1.1辐射度量1.1.2辐射度量的名称、定义、符号及单位（GB3102.6-1982)1、辐射能：Ｑ(Radiantenergy)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（Ｊ）。当描述辐射能量在一段时间内积累时，用辐能来表示。2、辐能密度（w）辐能密度定义为单位体积元内的辐射能，即w=dQ/dv3.辐射通量：(Φ,P)(Radiantflux)又称:辐射功率Pe（Radiantpower)定义: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。

定义式:均匀辐射:

单位:瓦特(Ｗ)或焦耳/秒(J/S）１Ｗ=1J/S4、辐射强度（I）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。②、定义式:

均匀辐射:③、单位:瓦/球面度（W/Sr）④、均匀点辐射源（各向同性）Ie不随方向变而变，故整个球面的辐射通量为：

Φe＝IeΩ＝4ЛIe5、辐亮度:（Ｌ)

(Radiance)1.定义: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r方向的辐射强度Ie与面元dA(在垂直于r方向平面正投影面积dA)的比值称为dA沿r方向的辐射亮度。2.定义式:

3.单位:w/(m2·Sr)6、辐射出射度:（M）(Radiantexitance)1.定义:辐射体单位元表面所辐射的通量2.定义式:均匀辐射:3.单位:w/m2辐射照度:Ee(Irradiance)１.定义:被辐射的单位元表面里入射或获得的辐射通量的多少２.定义式:均匀辐射:３.单位:w/m2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．区别在于:Me描写面辐射源向外发射的辐射特性(a)

Ee描写辐射接受面所接受的辐射特性(b)

§1.2光度量光度学中以光强的单位“坎德拉”作为基本单位，其他光度量的单位作为导出单位．光通量Φv(luminousflux)1.定义：光源在单位时间内发出的光量的多少2.公式：Φv=dQv/dt3.单位：lm（流明）光强Iv(luminousIntensity)1.坎德拉(cd)的最新规定：即一个烛光，它是光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683w/Sr时，其光强为１坎（cd)2.光强定义:光源在指定方向上通过单位立体角内的光通量的多少3.光强公式:Ｉv=dΦv/dΩ

发光均匀分布:Ｉv=Φv/Ω4.单位:cd（坎德拉）IwＩv=dΦv/dΩ光出射度Mv(Lminous

exitance)1.定义：面光源单位元表面内向外所发射的光通量2.公式：Mv=dΦV/dＡ发光均匀：M=Φv/Ａ3.单位：lm/m2（流明/平方米）光照度Ev(illuminance)1.定义:被照物体单位元表面里入射或获得的光通量的多少2.公式：Ev=dΦv/dＡ光通量分布均匀：Ev=Φv/Ａ3.单位:lx（勒克斯)照度流明面积(m2)光亮度Lv(luminance)1.定义:面光源在给定方向上，单位正投影面积的发光强度2.公式:

光通量分布均匀：

3.单位:cd/m2(坎德拉/平方米)光效η1.定义: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2.公式:η=Φv/P电3.单位:lm/w4.对于白炽灯:直流供电气体放电灯：P电=U灯I灯

交流供电气体放电灯：P电=U灯I灯·cosφ5.常见几种灯的发光效率：白炽灯：8-17lm/w金属卤化物灯：45-60lm/w日光灯：30-60lm/w高压钠灯：100-150lm/w低压钠灯：180-200lm/w光谱密集度：１.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．２.公式：注:Xeλ代表任何一个辐射量e.g: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

§1.3人眼视觉

眼睛的特性：锥体细胞的感光灵敏度低，在３cd/m2的亮度条件下作用，能分辨物体的颜色和细节称之为锥体视觉又称明视觉（ＰhotopicVision)杆体细胞只能在黑暗的环境下（L=3×10-5cd/m2以下)作用，称之为暗视觉（ScotopicVision)

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）光谱光视函数曲线:1.光谱光视效率V(λ):设引起相同视觉的波长和波长为555nm的辐射通量分别为Φλ和Φ555则视觉函为:V(λ)=Φ555/Φλ是个无量纲的物理量２.物理意义:V(λ)反映人眼对各种不同波长光的视觉灵敏度．将555nm所对应的黄绿光波长的光谱光视效率值定为１，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率值为０．３.由图看出：明视觉条件下V(λ)所对应的峰值波长为555nm，暗视觉条件下V(λ)所对应的峰值波长为507nm.暗视觉明视觉光度量与辐射量的关系:研究表明：明视觉条件：

暗视觉条件：Km：最大光谱光效能（单位：lm/w)

明视觉条件：Km=683lm/w暗视觉条件：Km′=1725lm/w故光通量与辐射通量的关系：

§1.4光源的颜色与色温光源的颜色：（色表和显色性）1.光源的色表:光源发光时，人眼直接看光源时光源所呈现的颜色2.光源的显色性:某光源与标准光源分别照射同一物体时,人眼所产生的颜色类别用显色指数来定量描述CIE计算CRI值的色板显色指数显色指数：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几种灯的颜色特性：1.高压汞灯:色表↑，显色性↓2.白炽灯:色表↓，显色性↑3.钠灯:色表和显色性↓

被照物体颜色会失真结论:自身发光的物体颜色由光谱功率分布决定。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。色温与相关色温:１.色温:Tc(colourtemperature)

待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某一温度Tc时的黑体颜色相同(色品相同)则称Tc为该辐射体光源的颜色与色温的色温度。简称色温Tc(单位:Ｋ)

各光源的色温２.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近的色温度称之为相关色温用Ｔ表示（单位：Ｋ）

u-v色度图中黑体轨迹和等色温线照度与色温关系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.

照度和光源色温的关系§１.５光辐射测量中的定律与定则朗伯定律或理想漫射面的余弦定则:１.朗伯定律在θ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，则故2.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

3.朗伯光源的特性①单位面积上的光出射度为其亮度的倍：或

②当二个元表面dA1.dA2亮度相等时,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．即距离平方反比定律１.在r⊥dA方向上的光强为:面积为dA的照度E为:而故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为距离平方反比定律(图如下）

２.当被照元表面dA到光源的距离由r1变到r2时，则相应的照度由E1→E2有下列关系：

E1/E2=r12/r22可知距离变化一倍，照度变化四倍．100lx11lx25lx1m2m3m平方反比定律当光源为点光源、距离大于光源最大尺寸的十倍时，此定理成立注意:满足此定律前提：

①点光源（L≥10R)

②在介质中光不被吸收

③在给定的立体角内，光通量分布均匀实际:

①光源尺寸取得足够小（距离加大）

②在空气中，可忽略光吸收③立体角要足够小

dΩ

dA

照度的余弦定则

Ｎ

I→r