第1章輻射度學(xué)及光度學(xué)

1、輻射度學(xué)輻射度學(xué) 光度學(xué)光度學(xué)色度學(xué)色度學(xué)緒論緒論緒論緒論緒論緒論基本問(wèn)題基本問(wèn)題 輻射度學(xué)輻射度學(xué)： 電磁輻射能的度量與測(cè)量：電磁輻射能的度量與測(cè)量：研究：研究：電磁輻射能量的定義和測(cè)量方法。建電磁輻射能量的定義和測(cè)量方法。建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。是單純的客觀物理量的問(wèn)立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。是單純的客觀物理量的問(wèn)題題應(yīng)用應(yīng)用：（所有電磁信息測(cè)量問(wèn)題）宇宙光學(xué)（所有電磁信息測(cè)量問(wèn)題）宇宙光學(xué) 、熱輻射、遙、熱輻射、遙感、光與物質(zhì)的相互作用（光化學(xué)技術(shù)、光生物技術(shù)、光感、光與物質(zhì)的相互作用（光化學(xué)技術(shù)、光生物技術(shù)、光的熱加工），激光技術(shù)等領(lǐng)域的熱加工），激光技術(shù)等領(lǐng)域 光度學(xué)： 可見(jiàn)可見(jiàn)光輻射能引起的人眼視覺(jué)刺

2、激效果的量度光輻射能引起的人眼視覺(jué)刺激效果的量度和測(cè)量和測(cè)量。屬于心理物理量。屬于心理物理量形式上與輻射度學(xué)類(lèi)似，但它只處理人眼可感形式上與輻射度學(xué)類(lèi)似，但它只處理人眼可感知的光，即可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為知的光，即可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為380780nm納納米。米。研究：研究：人眼對(duì)光刺激效果的特性（平均特性），刺人眼對(duì)光刺激效果的特性（平均特性），刺激效果的量化，刺激量的定義和測(cè)量。激效果的量化，刺激量的定義和測(cè)量。 應(yīng)用：應(yīng)用：照明設(shè)計(jì)，光學(xué)儀器、環(huán)境工程、視覺(jué)研照明設(shè)計(jì)，光學(xué)儀器、環(huán)境工程、視覺(jué)研究等領(lǐng)域究等領(lǐng)域色度學(xué)色度學(xué)： 有色光有色光（波長(zhǎng)：波長(zhǎng)：380780nm380780nm）不同光譜成

3、不同光譜成分分輻射能引起的人眼視覺(jué)輻射能引起的人眼視覺(jué)顏色刺激顏色刺激效果的效果的量度和測(cè)量。量度和測(cè)量。研究：研究：人眼顏色視覺(jué)特性、色光刺激與人眼人眼顏色視覺(jué)特性、色光刺激與人眼感覺(jué)的量化定義、顏色的匹配與顯示規(guī)律，感覺(jué)的量化定義、顏色的匹配與顯示規(guī)律，顏色匹配技術(shù)、顏色的測(cè)量方法，顏色的顏色匹配技術(shù)、顏色的測(cè)量方法，顏色的分類(lèi)與排列。分類(lèi)與排列。應(yīng)用應(yīng)用：（和視覺(jué)顏色判斷有關(guān)問(wèn)題）顏色本：（和視覺(jué)顏色判斷有關(guān)問(wèn)題）顏色本身的測(cè)量，溫度測(cè)量、遙感，管理等所有身的測(cè)量，溫度測(cè)量、遙感，管理等所有涉及有顏色的領(lǐng)域。涉及有顏色的領(lǐng)域。學(xué)科區(qū)別：學(xué)科區(qū)別：輻射度學(xué)：輻射能的客觀量度（物理學(xué)）光度學(xué)

4、：可見(jiàn)光輻射+人眼對(duì)光波的響應(yīng)效果量度 （物理學(xué)+生理學(xué)+心理學(xué)）色度學(xué)：可見(jiàn)光輻射+人眼對(duì)光波顏色的響應(yīng)量度 （物理學(xué)+生理學(xué)+心理學(xué)+材料學(xué)等）第一章：第一章：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題：?jiǎn)栴}：如何描述一個(gè)輻射體（發(fā)光體）的如何描述一個(gè)輻射體（發(fā)光體）的物理物理特征？特征？我們能測(cè)量的輻射物理量是什么？我們能測(cè)量的輻射物理量是什么？時(shí)間的分布？時(shí)間的分布？空間的分布？空間的分布？光譜的分布？光譜的分布？1-1 輻射度學(xué)的基本物理量輻射度學(xué)的基本物理量 輻射能： 以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量。 單位為焦耳J 一般可描述輻射能的積累。 eQ 輻射通量：輻射通量： （輻射功

5、率（輻射功率 ） 定義：定義：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率 （單位時(shí)間內(nèi)的輻射能）單位為單位時(shí)間內(nèi)的輻射能）單位為W W（瓦（瓦焦耳焦耳每秒）。每秒）。 意義：意義：描述光源發(fā)射輻射的能力描述光源發(fā)射輻射的能力。 （描述輻射源的時(shí)間特性描述輻射源的時(shí)間特性- -能量的時(shí)間密度）。能量的時(shí)間密度）。 （1-1）eePdtdQee輻射強(qiáng)度：輻射強(qiáng)度：在在給定方向給定方向上的上的單位立體角內(nèi)單位立體角內(nèi)點(diǎn)輻射源點(diǎn)輻射源發(fā)發(fā)出的出的輻射通量輻射通量（輻射功率）（輻射功率） （1-21-2）單位：為單位：為W/srW/sr（瓦每球面度）（瓦每球面度） 意義：描述輻射源

6、發(fā)出的輻射通量在空間意義：描述輻射源發(fā)出的輻射通量在空間的分布值（的分布值（能量的空間密度能量的空間密度）。）。 ddIeee2RdSd 點(diǎn)輻射源： 輻射源尺寸比傳輸距離小的多。輻射源尺寸比傳輸距離小的多。 例如在地球上可以把太陽(yáng)視為點(diǎn)光源。例如在地球上可以把太陽(yáng)視為點(diǎn)光源。 點(diǎn)光源發(fā)射球面波，不計(jì)輻射損失（反射、散射、吸收）點(diǎn)光源發(fā)射球面波，不計(jì)輻射損失（反射、散射、吸收）其輻射強(qiáng)度不變：其輻射強(qiáng)度不變： 對(duì)各向同性點(diǎn)光源對(duì)各向同性點(diǎn)光源有有 （1-31-3） 在空間所有方向上在空間所有方向上有有 （1-4） eeIeeI4 多數(shù)光源的輻射強(qiáng)度多數(shù)光源的輻射強(qiáng)度 并不是各向同性的，并不是各向

7、同性的， 如白熾燈。如白熾燈。 (1-5)這種情況有： （1-5） dIddIeeesin)()(020dVNdSidA輻亮度（L）定義：輻射源在其傳輸方向上單位表面積上的輻射強(qiáng)度。單位為 （瓦每球面度平方米） （1-6）意義：求一小面元上的平均輻射強(qiáng)度，（物理上的點(diǎn)是無(wú)窮小的，不便解決測(cè)量問(wèn)題）描述面光源的輻射強(qiáng)度的分布 是輻射傳播方向與 面元法線的夾角。2./msrWcoscos2dAdddAdILeeedOds輻射出射度 輻射源單位面積上發(fā)射的輻射通量。單位 （1-7）一般指面輻射源，往半空間2立體角發(fā)射的輻射通量輻照度Ee 接收面上單位面元被照射的輻射通量。單位 W/m2 （1-8）

8、e2/mWdsdMedsdEee 、光譜輻射量 輻射量隨波長(zhǎng)的變化率: 單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量（輻射量的光譜密度） 光譜輻射通量： （1-9） 表示輻射源發(fā)出的光在某波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量。 輻射源的總（光譜）通量： (1-10)ddee)(dee)(0 光譜輻照度： (1-11) 光譜輻亮度 (1-12) 光譜輻射出射度： (1-13)ddEEee)(ddLLee)(ddMMee)( 1-2 朗伯輻射體及其輻射特性朗伯輻射體及其輻射特性 朗伯輻射體朗伯輻射體：輻射體的輻亮度和方向無(wú)關(guān)輻射體的輻亮度和方向無(wú)關(guān)，即，即輻射源各方向的輻亮度不變。輻射源各方向的輻亮度不變。絕對(duì)黑體和理想漫

9、反絕對(duì)黑體和理想漫反射體射體是兩種典型的朗伯體是兩種典型的朗伯體 根據(jù)輻亮度的定義：根據(jù)輻亮度的定義： （1-14） 對(duì)于面積為對(duì)于面積為A A的輻射體，它在某一方向的輻亮度在的輻射體，它在某一方向的輻亮度在A A上是不變量，則在上是不變量，則在方向的輻射強(qiáng)度方向的輻射強(qiáng)度 （1-15） 按朗伯體的定義輻亮度與方向無(wú)關(guān)，在按朗伯體的定義輻亮度與方向無(wú)關(guān)，在A A上：上： =常數(shù)coscos2dAdddAdILeeecosALILL 定義: 為面元法線方向的輻射強(qiáng)度 則有： （1-16） 此即朗伯定律朗伯定律： 一個(gè)輻亮度在各方向都相等的輻射面，在某一方向一個(gè)輻亮度在各方向都相等的輻射面，在某一

10、方向的輻射強(qiáng)度等于平面法線方向的輻射強(qiáng)度乘以平面的輻射強(qiáng)度等于平面法線方向的輻射強(qiáng)度乘以平面法線與指定方向夾角的余弦。法線與指定方向夾角的余弦。LAI0cos0II 朗伯體的輻射出射度：朗伯體的輻射出射度： 由 得 coscos2dSdddSdILeeeddSLdecos2dVNdSidAdddArsind2朗伯體的輻射出射度：朗伯體的輻射出射度： 朗伯體面元dS在半空間上的輻射通量： 由出射度的定義： （1-17） 或： （1-18）dsLdSLeee2020d .sin.cosdeeeLdSMeeML例題：（北理工p29) 已知已知: : 太陽(yáng)輔亮度:L0=2x107W/(m2.sr),

11、太陽(yáng)的半徑: r0=6.957x108m, 地球的半徑: re=6.374x106m， 太陽(yáng)到地球的年平均距離: L=1.496x1011m 求：求：太陽(yáng)的輻射出射度M0、輻射通量0、地球接收的輻射通量e、地球大氣層邊沿的輻照度Ee 解：解：太陽(yáng)為朗伯光源 因此：其輻射出射度： M0=L0=6.2832x107W/m2 太陽(yáng)為均勻發(fā)光體 ：其輻射通量： 0 = M0 S太陽(yáng)表面積 =4r02M0=3.821x1026瓦瓦 太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度： I0=0 /4=3.041x1025 W/sr 地球?qū)μ?yáng)的立體角：= re2/L2=5.703x10-9sr 地球接收到太陽(yáng)的輻射通量： e=I0 =1.

12、734x1017w 地球大氣邊沿的輻照度 E= 0 /4L2=I0/L2=1358.79W/m22 光度學(xué)的基本物理量光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù) V() 人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光波具有不同的敏感程度人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光波具有不同的敏感程度 在引起相同視覺(jué)的情況下，若所需某單色的輻在引起相同視覺(jué)的情況下，若所需某單色的輻射通量越小，則說(shuō)明人眼對(duì)該光敏感度越高；射通量越小，則說(shuō)明人眼對(duì)該光敏感度越高；反之，越低。為描述這一敏感度，反之，越低。為描述這一敏感度，引入引入光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù)。定義：定義：人眼對(duì)各種單色光的（人）平均敏感度人眼對(duì)各種單色光的（人）平均敏感度。意義意義：描述在輻射通量相

13、同的情況下，人的眼睛對(duì)描述在輻射通量相同的情況下，人的眼睛對(duì)各種各種 不同波長(zhǎng)的不同波長(zhǎng)的 輻射產(chǎn)生的主觀（亮度）感輻射產(chǎn)生的主觀（亮度）感覺(jué)。覺(jué)。問(wèn)題：?jiǎn)栴}：怎樣確定光譜光視效率（函數(shù)）？怎樣確定光譜光視效率（函數(shù)）？ (異色)逐級(jí)比較法:波長(zhǎng)1、2兩束光，輻射通量分別為(1 1) )和(2 2) )，在視場(chǎng)中亮度相等時(shí) 有 V(V(1 1)()(1 1)=V()=V(2 2) () (2 2) ) 將V（）在峰值波長(zhǎng)處歸化為1 : V(555nm)=1V(555nm)=1 V（）1 （無(wú)量綱的系數(shù)；權(quán)重因子）555)(V400507600790nm: 1700暗視覺(jué)555明視覺(jué)3、實(shí)驗(yàn)曲線

14、：實(shí)驗(yàn)曲線：人眼對(duì)波長(zhǎng)為人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm的黃綠光最敏感，光的黃綠光最敏感，光度學(xué)中規(guī)定其視見(jiàn)函數(shù)為度學(xué)中規(guī)定其視見(jiàn)函數(shù)為1，則視見(jiàn)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)曲線如下圖示：則視見(jiàn)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)曲線如下圖示：2、光度學(xué)的基本概念、光度學(xué)的基本概念1、光通量光通量：定義定義：輻射通量與視見(jiàn)函數(shù)的乘積。 21 意義：意義：光源發(fā)出的輻射能通量通過(guò)視見(jiàn)函數(shù)的權(quán)重因子折合成光源發(fā)出的輻射能通量通過(guò)視見(jiàn)函數(shù)的權(quán)重因子折合成對(duì)人眼起作用有效視覺(jué)強(qiáng)度對(duì)人眼起作用有效視覺(jué)強(qiáng)度. 單位單位：流明（lm）2 2、光源發(fā)出可見(jiàn)光的效率、光源發(fā)出可見(jiàn)光的效率光視效能（電光轉(zhuǎn)換效率） Km:最大光視效能。對(duì)應(yīng)于明視覺(jué)(3cd/m2) 對(duì)

15、應(yīng)波長(zhǎng)：555nm， K Km m =683 lm/w=683 lm/w Km對(duì)應(yīng)于暗視覺(jué)(0.001cd/m2), 對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)507nm， K Km m=1725=1725 lm/w lm/w 對(duì)于其他波長(zhǎng)： K K（）= = K Km m V V（）lm/wlm/w 說(shuō)明：明視覺(jué)：2度視場(chǎng)、暗視覺(jué)：10度視場(chǎng)dVKemv)()(光通量與電光效率的測(cè)量 用積分球測(cè)量光源和燈具的總光通量 常見(jiàn)光源的光視效能（lm/w)（電光轉(zhuǎn)換效率） 鎢絲燈：10-20 鹵鎢燈：30 螢光燈：30-60 高壓汞燈：60-70 鈉燈：60-80 LED:60-1203、發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光強(qiáng)度I1、定義：、定義：點(diǎn)光源

16、在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。ddISdd2、意義：、意義：描述光源發(fā)出的光通量在空間一定范圍內(nèi)的分布值。3、單位：、單位：坎德拉cd球面度srsrcdlm11 通常 隨方向而異。當(dāng) 不隨方向變化時(shí)，發(fā)光物體稱(chēng)均勻發(fā)光體。II 一般均假設(shè)點(diǎn)光源表征的物體為均勻發(fā)光體，故點(diǎn)光源輻射的光通量：I44、照度、照度E1、定義：入射在受照物體單位面積上的光通量。定義：入射在受照物體單位面積上的光通量。dsdE2、意義：描述受照物體被照明的程度。意義：描述受照物體被照明的程度。3、單位：勒克斯單位：勒克斯lx211mlmlx4、點(diǎn)光源的照度：dOds22coscosrIdsIddsdErdsd輻透：輻透：p

17、hlxph4101照度計(jì)一些實(shí)際情況下光照度近似值（lx) 晴朗的夏日采光良好的室內(nèi)照度100500 夏天太陽(yáng)不直接照到的露天地面照度：100010000 正午露天地面照度100000 工作場(chǎng)所必須照度：20100 滿(mǎn)月夜空在地面的照度：0.2 無(wú)月夜空光在地面的照度：3/10000 5、光亮度 ： 光源單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度（光源在光源單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度（光源在指定方向單位面積上的發(fā)光能力，指定方向單位面積上的發(fā)光能力， 2828 單位為：坎德拉每平方米（單位為：坎德拉每平方米（cd/m cd/m 2 2 ） 如果平面法線與觀察方向成如果平面法線與觀察方向成角角 上式為上式為 dSdILvv

18、cosdSdILvvdNS 由 可得 29 2929式可以看作是亮度的較通用的定義式，有這個(gè)式式可以看作是亮度的較通用的定義式，有這個(gè)式子可以進(jìn)一步把亮度的概念引申。亮度不僅可以用來(lái)子可以進(jìn)一步把亮度的概念引申。亮度不僅可以用來(lái)描述一個(gè)發(fā)光面，還可以用來(lái)描述光路中的任意一個(gè)描述一個(gè)發(fā)光面，還可以用來(lái)描述光路中的任意一個(gè)截面，如一個(gè)透鏡的有效面積或一個(gè)光闌所截的面積。截面，如一個(gè)透鏡的有效面積或一個(gè)光闌所截的面積。還可以用亮度來(lái)描述一束光，光束的亮度等于這個(gè)光還可以用亮度來(lái)描述一束光，光束的亮度等于這個(gè)光束所包含的光通量除以這束光的橫截面積和這束光的束所包含的光通量除以這束光的橫截面積和這束光的立體角立體角。ddIvvcos2dSddLvvdNS一些實(shí)際光源的光亮度近似值（cd/m2) 地球大氣層外看太陽(yáng) 190 x107 地面上看到太陽(yáng) 150 x107 鎢絲白熾燈 5001500 x104 煤油燈 1.5x104 距太陽(yáng)為750度角的明朗天空 0.15x104 陽(yáng)光照明的潔凈雪面 3x104 無(wú)月的夜空 10-4 1mW氦氖激光器 16x107 與人眼的最小靈敏閾值對(duì)應(yīng)的物體 10-