辐射度学和光度学基础

辐射度学和光度学基础1*第一页，共二十七页，编辑于2023年，星期五第12章辐射度学和光度学基础2*第二页，共二十七页，编辑于2023年，星期五§12-1辐射度学的基本物理量§12-2光度学的基本物理量§12-3照度定律3*第三页，共二十七页，编辑于2023年，星期五辐射度学与光度学辐射度学(Radiometry)是研究电磁辐射能测量的一门科学.辐射度量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量.光度学(Photometry)是研究光度测量的一门科学.光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量.4*第四页，共二十七页，编辑于2023年，星期五光辐射

以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm~1mm，或频率在31016Hz~31011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m表示。波数的单位习惯用cm-1。5*第五页，共二十七页，编辑于2023年，星期五辐射度单位和光度单位两套不同的体系。

辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。6*第六页，共二十七页，编辑于2023年，星期五§12-1辐射度学的基本物理量7*第七页，共二十七页，编辑于2023年，星期五一辐射能辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等。单位：焦耳J8*第八页，共二十七页，编辑于2023年，星期五二辐射通量辐射通量e又称为辐射功率，是指以辐射形式发射、传播或接收的功率。

单位时间内流过的辐射能量。单位：瓦特W9*第九页，共二十七页，编辑于2023年，星期五三辐射出射度

辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。

辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量。

单位：瓦特每平方米（W/m2）面光源A向的半球面空间发射的总辐射通量

10*第十页，共二十七页，编辑于2023年，星期五四辐射强度点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量。单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量

Sdde11*第十一页，共二十七页，编辑于2023年，星期五五辐射亮度面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。SddSd12*第十二页，共二十七页，编辑于2023年，星期五有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足可见:余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射体的辐射出射度沿其法线方向的辐射强度余弦辐射体或朗伯体余弦辐射体的辐射亮度13*第十三页，共二十七页，编辑于2023年，星期五六辐射照度在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。单位：瓦特每平方米（W/m2）不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的14*第十四页，共二十七页，编辑于2023年，星期五七光谱辐射度量

单位波长间隔内对应的辐射度量，称为光谱辐射度量，也叫辐射量的光谱密度，是辐射量波长的变化率。光谱辐射度量与辐射度量之间满足15*第十五页，共二十七页，编辑于2023年，星期五§12-2光度学的基本物理量16*第十六页，共二十七页，编辑于2023年，星期五光度量

光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完全一一对应。

与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。

17*第十七页，共二十七页，编辑于2023年，星期五光视效能：光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即一光谱光视效能和光谱光视效率单位：流明/瓦特（lm/W）

通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率5401012Hz（波长555nm）处，K有最大值，其数值为Km=683lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果，定义为18*第十八页，共二十七页，编辑于2023年，星期五19*第十九页，共二十七页，编辑于2023年，星期五二常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐射照度QeeMeIeLeEee＝dQe/dtMe=dedSIe=de/dLe=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2·srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=vdtv=IvdMv=dv/dSIv=dv/dLv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlm·slmlm/m2cdcd/m2lx20*第二十页，共二十七页，编辑于2023年，星期五§12-3照度定律21*第二十一页，共二十七页，编辑于2023年，星期五SddedSdSn一余弦定律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亮度不随方向而改变，则有:2.朗伯光源只有绝对黑体才是朗伯光源遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源．22*第二十二页，共二十七页，编辑于2023年，星期五余弦定律同理可用于光照度上dSndS23*第二十三页，共二十七页，编辑于2023年，星期五二平方反比定律SddedSdSn面积元dS对点光源所张的立体角内的光通量dS面上的光照度它描述了点辐射源产生的照度的规律，是来自均匀点光源向空间发射球面波的特性。24*第二十四页，共二十七页，编辑于2023年，星期五例12-1一氦氖激光器发出10mW的波长为632.8nm的激光束，发散角为1mrad，发散角与立体角的关系为，若波长632.8nm光波的光谱光效率＝0.24,试求：(1)此激光束的光通量和发光强度；(2)若此激光输出光束的截面的直径为1mm,求其光亮度；(3)以这样的激光束照射在10m处的白色屏幕上的光照度.解：(1)光通量相应的立体角为发光强度25*第二十五页，共二十七页，编辑于2023年，星期五例12-1一氦氖激光器发出10mW的波长为632.8nm的激光束，发散角为1mrad，发散角与立体角的关系为，若波长632.8nm光波的光谱光效率＝0.24,试求：(1)此激光束的光通量和发光强度；(2)若此激光输出光束的截面的直径为1mm,求其光亮度；(3)以这样的激光束照射在10m处的白色屏幕上的光照度.解：（2）由于激光束的方向与光束输出截面dA的法线相一致.26*第二十六页，共二十七页，编辑于2023年，星期五例12-1一氦氖激光器发出10