数字图像 辐射度学和光度学

辐射度和光度学基础

§辐射度量与光度学量－引言辐射度学（radiometry）或称辐射测量，是测量电磁波所传递的能量（电磁辐射能）或测量与这一能量特征有关的其它物理量的科学技术。在整个电磁频谱范围内，不同的频谱段，应采用不同的辐射能测量方法。辐射度学量表示辐射能的大小，基本量是辐射功率或辐射通量，单位是瓦特（W）。§1－1辐射度量与光度学量－引言辐射度学适用于整个电磁波谱，主要用于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。所涉及的论题非常广泛，包括辐射能的基本概念、辐射能的传输、变换以及仪器的辐射度学校准或标定。光度学适用于波长在0.38μm~0.78μm范围内的电磁辐射－可见光波段，它使用的参量称为光度学（photometry）量。以人的视觉习惯为基础建立。辐射度学量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量。光度学量描述光辐射能为人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度，是生理量。光度学量的基本量是光通量，单位是流明（lm）。辐射度的基本物理量1.辐射能Qe

辐射能定义为一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位是焦耳[J]。

2.辐射通量Фe

辐射通量又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率，单位为瓦[W]，即单位时间内通过某一定面积的发射、传播或接收的辐射能，Фe=dQe/dt[J/s，焦耳每秒]。

辐射度的基本物理量3.辐射强度Ie

点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射通量，单位为[W／sr，瓦每球面度]，Ie=dФe/dΩ。在所有方向上辐射强度都相同的点辐射源在有限立体角内发射的辐射通量为

在空间所有方向()上发射的辐射能通量为

实际上,一般辐射源多为各向异性的辐射源Ie=Ie(φ,θ)，这样，点辐射源在整个空间发射的辐射通量为

辐射度的基本物理量4.辐射照度Ee

为了评定辐射体对装置的作用，要引入辐射照度的概念，它表示为投射在单位面积上的辐射通量，即Ee=dΦe/dA，单位为[w/m2，瓦每平方米]，dA为被投射的表面的面积元。

5.辐射出射度Me

辐射出射度为扩展辐射源单位面积所辐射的通量，也称为辐射发射度（辐射本领），即Me=dΦ/dS。是扩展源表面在各方向上（通常为半空间立体角）所发出的总的辐射通量，单位为[W/m2，瓦每平方米]。注意Ee和Me的差别

辐射度的基本物理量6.辐射亮度Le

辐射亮度定义为扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量，即辐射表面定向发射的辐射强度，它决定于单位面积的辐射表面所发射的通量的空间分布。在与辐射表面dS的法线成θ角的方向上，辐射亮度等于该方向上的辐射强度dIe

与辐射表面在该方向垂直面上的投影面积之比

7.光谱辐射通量

光谱辐射通量又称为辐射通量的光谱密度。为了表征辐射，不仅要知道辐射的总通量和强度，还应知道其光谱组份。辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各种不同波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量做出相应的定义。光谱辐射通量是单位波长间隔内的辐射度量。

光谱辐射通量Φe(λ)：辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量。辐射通量与波长的关系如图。其式为

若按光谱积分该函数，则可求得总的辐射通量值：

辐射度的基本物理量前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射通量有相对应的关系，如光谱辐照度Ee(λ)=dEe/dλ、光谱辐射出射度Me(λ)=dMe/dλ等，其总辐射度量的积分形式也类似，我们将其列于表1－1中。

对于波长不连续的辐射源，具有线光谱或带光谱特征，其总辐射通量为

辐射度的基本物理量光度的基本物理量由于照明的效果最终是以人眼来评定的，因此照明光源的特性只用辐射能参数来描述是不够的，必须用基于人眼视觉的光学参数－光度学量来描述

光谱光视效率：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数。如图所示：光度的基本物理量表1－2明视觉和暗视觉的光谱光视效率（最大值＝1）

光度的基本物理量光度的基本物理量

我们在辐射度量学中介绍的各个基本量Фe、Me、Ie、Le和Ee对整个电磁波谱都适用；而在光度学中光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波段（380～780nm）才有意义。为避免混淆，在辐射度量符号上加下标“e”，而在光度量符号上加下标“v”。光度学中相应量Фv、Mv、Iv、Lv和Ev与辐射度量Фe、Me、Ie、Le和Ee间的对应关系由表1－3给出。由于人眼对等能量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，因而按人眼的视觉特性V（λ）来评价的辐射通量Φe即为光通量ΦV，这两者的关系是

式中为明视觉的最大光谱光视效率函数，亦称为光功当量，它表示人眼对波长为555nm[V（555）＝1]光辐射产生光感觉的效能。按国际实用温标IPTS-68的理论计算值为lm/W

光度的基本物理量同理，其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示光度量与辐射量之间的关系，则有光度量中最基本的单位是发光强度单位——坎德拉（Candela），记做cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。其定义是发出频率为Hz（对应在空气中555nm波长）的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为(1/683)W.sr时，在该方