辐射度学与光度学的基础知识

关于辐射度学与光度学的基础知识3.0引言在研究光（辐射）的产生、传输和探测等光辐射与物质相互作用时，需要对辐射量进行度量和定量研究第2页,共33页，星期六，2024年，5月3.0引言辐射度学是一门研究电磁辐射能测量的科学与技术，对整个电磁波谱范围都适用；是建立在几何光学基础上是，辐射按直线传播，辐射能是不相干的光度学只限于可见光范围，是对光能定量研究的科学，包含人眼特性可见光可用辐射量和光度量两种量值系统来度量第3页,共33页，星期六，2024年，5月3.0引言在辐射度单位体系中，基本量是辐射能和辐射通量，是只与辐射客体有关的量，基本单位是J和W；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，其单位为cd（坎德拉）；只适用于可见光波段第4页,共33页，星期六，2024年，5月3.1辐射度的基本物理量任一光辐射的能量都是辐射在它周围的一定空间的，因此，在进行有关光辐射的讨论和计算时，也将是一个立体空间问题在光辐射测量中，常用的几何量就是立体角一个任意形状的锥面所包含的空间称为立体角，符号Ω

单位:Sr(球面度或立体弧度)第5页,共33页，星期六，2024年，5月立体角锥体的立体角定义为：以锥体的顶点为球心作球面，该锥体在球表面截取的面积与球半径平方之比对于一个给定顶点O和一个随意方向的微小面积dS，它们对应的立体角为第6页,共33页，星期六，2024年，5月立体角以O为球心，r为半径做球面，若立体角Ω截出的球面部分面积为r²，则此球面部分对应的立体角为_______立体角整个球面的面积为4πr²，对于整个空间的立体角为第7页,共33页，星期六，2024年，5月一、辐射能以电磁波形式发射、传输或接收的能量称为辐射能，用Qe表示，单位是J一个光子的辐射能辐射能密度：辐射场内单位体积的辐射能第8页,共33页，星期六，2024年，5月二、辐射通量指单位时间内发射、传输或接收到的辐射能量，又称辐射功率，单位：W或J/s辐射通量以及由它派生出来的几个辐射度学中的物理量，属于基本物理量，都可以用专门的红外辐射计在离开辐射源一定的距离上进行测量，所以其他辐射量都是由辐射通量定义的第9页,共33页，星期六，2024年，5月三、辐射出射度反映物体辐射能力的物理量，定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量辐出度描述了扩展源辐射功率在源表面的分布特性第10页,共33页，星期六，2024年，5月四、辐射强度指点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射通量点辐射源（相对概念）：辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍；否则称为扩展源（有一定面积）辐射强度是描述点辐射源特性的辐射量第11页,共33页，星期六，2024年，5月五、辐射亮度指面辐射源在给定方向上单位立体角、单位投影面积的辐射通量，是描述扩展源表面不同位置沿空间不同方向的辐射功率分布特性第12页,共33页，星期六，2024年，5月一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。有些辐射体的辐射强度在空间方向上分布满足Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体朗伯体的辐射亮度为可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关第13页,共33页，星期六，2024年，5月六、辐射照度定义为受照物体表面的单位面积上接收到的辐射通量（功率）第14页,共33页，星期六，2024年，5月七、单色辐射度量对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量对所有辐射量X来说，单色辐射度量与辐射度量之间均满足第15页,共33页，星期六，2024年，5月第16页,共33页，星期六，2024年，5月以上介绍的几个基本辐射量反映了辐射通量（功率）的几何分布特性：表面密度分布和空间角分布任何辐射均有一定的波长分布范围：辐射的光谱特性。基本辐射量都有对应的光谱辐射量光谱辐射量（略）第17页,共33页，星期六，2024年，5月光度学的基本物理量很多光源用于照明，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特性的光学参数来描述光度学量：是生理的，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度，即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到的辐射量的度量第18页,共33页，星期六，2024年，5月一、光能按人眼的感觉强度进行度量的辐射能大小称为光能，它与辐射能的大小、人眼的视觉灵敏度成正比第19页,共33页，星期六，2024年，5月二、光通量单位时间内通过某截面的光能称为通过这一面积的光通量，单位为流明（lm）40瓦的普通白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10流明，因此可以发出约400流明的光；40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。光源的光通量越大，则发出的光线越多人眼对不同波长光感觉不同，即使具有相同的光通量，产生的明亮程度也可能不同；由此决定了光通量与光通量的换算关系第20页,共33页，星期六，2024年，5月三、发光强度点光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量称为发光强度Iv。发光强度是光度量中最基本的单位，公式为单位为坎德拉（cd），是国际单位制中7个基本单位之一1cd：光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，在此方向上的辐射强度为1/683W/Sr第21页,共33页，星期六，2024年，5月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即光视效能Kλ定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值。单位：流明/瓦特（lm/W）第22页,共33页，星期六，2024年，5月光视效率通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率540×1012Hz（555nm）处，Kλ有最大值，其数值为683lm/W光视效率是Kλ用Km归一化的结果第23页,共33页，星期六，2024年，5月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，或称为视见函数人眼对不同波长的光的刺激感受是不同的第24页,共33页，星期六，2024年，5月辐射通量与光通量之间的关系某波长的光通量光视效能多种波长的辐射通量，对应的光通量为第25页,共33页，星期六，2024年，5月四、光出射度扩展源单位面积向2π的半空间发出的光通量单位：lm/m2

（流明每平方米）第26页,共33页，星期六，2024年，5月五、光亮度光源在给定方向上的光亮度Lv，是指在该方向上的单位投影面积上向单位立体角内发出的光通量单位为cd/m2（熙提sb；1sb=104cd/m2）在给定方向上的光亮度也是该方向上单位投影面积上的发光强度第27页,共33页，星期六，2024年，5月部分光源的亮度值（cd/m2）第28页,共33页，星期六，2024年，5月六、光照度被照物体表面上的单位面积接收到的光通量单位为勒克斯（lx）1lx=1lm/m2被光均匀照射的物体，距离光源1m处，在1m2面积上得到的光通量是1lm时，光源在该面积上的照度为1lx，习称“烛光米”第29页,共33页，星期六，2024年，5月第30页,共33页，星期六，2024年，5月第31