第1章輻射度學(xué)與光度學(xué)

輻射度學(xué)

光度學(xué)

色度學(xué)

緒論緒論緒論

基本問(wèn)題輻射度學(xué)：

電磁輻射能的度量與測(cè)量：研究：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)題應(yīng)用：（所有電磁信息測(cè)量問(wèn)題）宇宙光學(xué)、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)、光的熱加工），激光技術(shù)等領(lǐng)域

光度學(xué)：

可見(jiàn)光輻射能引起的人眼視覺(jué)刺激效果的量度和測(cè)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知的光，即可見(jiàn)光，波長(zhǎng)范圍為380～780nm納米。研究：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。應(yīng)用：照明設(shè)計(jì)，光學(xué)儀器、環(huán)境工程、視覺(jué)研究等領(lǐng)域色度學(xué)：

有色光（波長(zhǎng)：380~780nm）不同光譜成分輻射能引起的人眼視覺(jué)顏色刺激效果的量度和測(cè)量。研究：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，顏色匹配技術(shù)、顏色的測(cè)量方法，顏色的分類(lèi)與排列。應(yīng)用：（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，管理等所有涉及有顏色的領(lǐng)域。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)：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：輻射度與光度學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題：如何描述一個(gè)輻射體（發(fā)光體）的物理特征？我們能測(cè)量的輻射物理量是什么？時(shí)間的分布？空間的分布？光譜的分布？§1-1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。

輻射通量：（輻射功率）定義：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W（瓦—焦耳每秒）。意義：描述光源發(fā)射輻射的能力。（描述輻射源的時(shí)間特性-能量的時(shí)間密度）。

（1-1）輻射強(qiáng)度：在給定方向上的單位立體角內(nèi)點(diǎn)輻射源發(fā)出的輻射通量（輻射功率）（1-2）單位：為W/sr（瓦每球面度）意義：描述輻射源發(fā)出的輻射通量在空間的分布值（能量的空間密度）。點(diǎn)輻射源：

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。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：對(duì)各向同性點(diǎn)光源有（1-3）

在空間所有方向上有（1-4）

多數(shù)光源的輻射強(qiáng)度并不是各向同性的，如白熾燈。

(1-5)

這種情況有：

（1-5）

dΩVNθdSidA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θ是輻射傳播方向與面元法線的夾角。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2π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）、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)光譜輻照度：

(1-11)光譜輻亮度(1-12)光譜輻射出射度：(1-13)§1-2朗伯輻射體及其輻射特性

朗伯輻射體：輻射體的輻亮度和方向無(wú)關(guān)，即輻射源各方向的輻亮度不變。絕對(duì)黑體和理想漫反射體是兩種典型的朗伯體根據(jù)輻亮度的定義：（1-14）

對(duì)于面積為A的輻射體，它在某一方向的輻亮度在A上是不變量，則在θ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A上：=常數(shù)

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：

一個(gè)輻亮度在各方向都相等的輻射面，在某一方向的輻射強(qiáng)度等于平面法線方向的輻射強(qiáng)度乘以平面法線與指定方向夾角的余弦。朗伯體的輻射出射度：由得dΩVNθdSidA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）例題：（北理工p29)已知:太陽(yáng)輔亮度:L0=2x107W/(m2.sr),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：太陽(yáng)的輻射出射度M0、輻射通量Φ0、地球接收的輻射通量Φe、地球大氣層邊沿的輻照度Ee

解：太陽(yáng)為朗伯光源因此：其輻射出射度：M0=πL0=6.2832x107W/m2太陽(yáng)為均勻發(fā)光體：其輻射通量：

Φ0=M0

S太陽(yáng)表面積=4πr02M0=3.821x1026瓦

太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度：I0=Φ0/4π=3.041x1025W/sr地球?qū)μ?yáng)的立體角：Ω=πre2/L2=5.703x10-9sr地球接收到太陽(yáng)的輻射通量：Φe=I0Ω=1.734x1017w地球大氣邊沿的輻照度E=Φ0/4πL2=I0/L2=1358.79W/m2§2光度學(xué)的基本物理量光譜光效率函數(shù)V(λ)

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，引入光譜光效率函數(shù)。定義：人眼對(duì)各種單色光的（人）平均敏感度。意義：描述在輻射通量相同的情況下，人的眼睛對(duì)各種不同波長(zhǎng)的輻射產(chǎn)生的主觀（亮度）感覺(jué)。問(wèn)題：怎樣確定光譜光視效率（函數(shù)）？

(異色)逐級(jí)比較法:波長(zhǎng)λ1、λ2兩束光，輻射通量分別為Φ(λ1)和Φ(λ2)，在視場(chǎng)中亮度相等時(shí)有V(λ1)Φ(λ1)=V(λ2)Φ(λ2)將V（λ）在峰值波長(zhǎng)處歸化為1:V(555nm)=1V（λ）≤1（無(wú)量綱的系數(shù)；權(quán)重因子）4005076007901700暗視覺(jué)555明視覺(jué)3、實(shí)驗(yàn)曲線：人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm的黃綠光最敏感，光度學(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：2、光度學(xué)的基本概念1、光通量：定義：輻射通量與視見(jiàn)函數(shù)的乘積。2—1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)重因子折合成對(duì)人眼起作用有效視覺(jué)強(qiáng)度.單位：流明（lm）2、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)應(yīng)波長(zhǎng)：555nm，Km

=683lm/w

Km’對(duì)應(yīng)于暗視覺(jué)(0.001cd/m2),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)507nm，Km’=1725lm/w對(duì)于其他波長(zhǎng)：K（λ）=KmV（λ）lm/w說(shuō)明：明視覺(jué)：2度視場(chǎng)、暗視覺(jué)：10度視場(chǎng)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：60-80LED:60-1203、發(fā)光強(qiáng)度1、定義：點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。2、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：坎德拉通常隨方向而異。當(dāng)不隨方向變化時(shí)，發(fā)光物體稱(chēng)均勻發(fā)光體。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：4、照度1、定義：入射在受照物體單位面積上的光通量。2、意義：描述受照物體被照明的程度。3、單位：勒克斯4、點(diǎn)光源的照度：輻透：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——100~500夏天太陽(yáng)不直接照到的露天地面照度：1000~10000正午露天地面照度——100000工作場(chǎng)所必須照度：——20~100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：——3/100005、光亮度：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，2—8單位為：坎德拉每平方米（cd/m2）如果平面法線與觀察方向成θ角上式為

由可得

2—92—9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)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。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立體角。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)190x107地面上看到太陽(yáng)150x107鎢絲白熾燈500~1500x104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10-41mW氦氖