輻射度和光度基礎(chǔ)

1、關(guān)于輻射度與光度基礎(chǔ)第一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2由于人眼的視覺細(xì)胞對(duì)不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反應(yīng)人的亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用 與 輻度學(xué)的基本物理量對(duì)應(yīng)的來表示，其定義完全一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。與輻射度量體系不同，在光度單位體系中，被選作基本單位的不是光量或光通量，而是發(fā)光強(qiáng)度，其單位是坎德拉。坎德拉不僅是光度體系的基本單位，而且也是國際單位制（SI）的七個(gè)基本單位之一。 光度的基本物理量第二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 光度量中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度

2、單位坎德拉(Candela)，記作cd，它是國際單位制中七個(gè)基本單位之一。其定義是555nm波長的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1683Wsr-1時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為lcd。 光通量的單位是流明(lm)，它是發(fā)光強(qiáng)度為lcd的均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。 光照度的單位是勒克斯(lx)，它相當(dāng)于1lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。 第三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 人眼對(duì)各種波長的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對(duì)綠光最靈敏，對(duì)紅光靈敏度較差。 視見函數(shù)：國際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對(duì)各種波

3、長的光的平均相對(duì)靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率V(),或稱視見函數(shù)。第四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 兩種度量單位的轉(zhuǎn)換 1. 光譜光視效能 K()許多接收器所能感受的波長是有選擇性的，接收器對(duì)不同波長電磁輻射的響應(yīng)程度(反應(yīng)靈敏度)稱為光譜響應(yīng)度或光譜靈敏度。對(duì)人眼來說采用光譜光視效能K()來表征不同波長輻射下的響應(yīng)能力，光譜光視效能K()為同一波長下光譜光通量與光譜輻通量之比: 第五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 光譜光視效率（視見函數(shù)） V() 由于人眼在頻率為 (m=555nm，該波長稱為峰值波長)的輻射下，K()最大，記以 ，即光功當(dāng)量。定

4、義光譜光視效率V()為某一波長的光譜光視效能與最大光譜光視效能Km之比： V()又稱為視見函數(shù)。根據(jù)對(duì)許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計(jì)出各種波長的平均相對(duì)靈敏度。第六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月光度量與輻射量的關(guān)系光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度值。由于人眼對(duì)不同波長的光的感光靈敏度不一樣，能量相同而波長不同的光，在人眼中引起的視覺強(qiáng)度不相同。 第七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 1、光通量 ：光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺強(qiáng)度值。 例：若在波長到d間隔之內(nèi)的光源輻射通量為e， d 。則光通量為 Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流明/瓦， Km683lm/W，

5、它表示在波長為555nm處，即人眼光譜光視效率最大（V()=1）處,與1w的輻射能通量相當(dāng)?shù)墓馔繛?83lm；換句話，此時(shí)1lm相當(dāng)于1/683W第八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 2、發(fā)光強(qiáng)度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度。 3、光出射度M：光源表面給定點(diǎn)處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該點(diǎn)的光出射度。第九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 4、光照度E：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量，稱為該點(diǎn)的光照度。第十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 光照度:入射于被照物體單位面積上的光通量.單位:勒克斯(

6、lux,簡寫為lx),客觀存在,與被照物和人的感受無關(guān).照度光通量面積例如：用一只發(fā)光為1750流明的100瓦白熾燈泡照明一個(gè)339平方米的房間，其平均照度為1750 / 9194.4勒克斯第十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 5、光亮度L：光源表面一點(diǎn)處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。 為給定方向與面元法線間的夾角。 6、光量Q：光通量對(duì)時(shí)間的積分，稱為光（能）量。第十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 光度量只在光譜的可見波段(380nm-780nm)才有意義。輻射度量符號(hào)單位光度量符號(hào)單

7、位輻射能QeJ光量Qlm.s輻射通量 eW光通量lm（流明）輻射強(qiáng)度IeW/sr發(fā)光強(qiáng)度Icd（坎德拉）=lm/sr輻射照度EeW/m2光照度Elx(勒克斯)=lm/m2輻射出射度MeW/m2光出射度Mlm/m2輻射亮度LeW/sr.m2光亮度Lcd/m2第十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月例1： 已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？假設(shè)V()=0.24 v,=K,e *e,=KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm)第十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月LED的光參數(shù)第十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年

8、6月幾種輻射源的光亮度輻射源亮度 （坎德拉/平方厘米 (cd cm-2)）太陽表面2105碳弧燈110460瓦除去光澤的白熾燈9陰極射線管540瓦白熾燈0.5白色發(fā)光漆310-6He-Ne激光器（10mW，d=1mm）7107第十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月兩款攝影用測(cè)光表，可以測(cè)量亮度第十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月幾種輻射源產(chǎn)生的光照度輻射源照度 （流明/平方米 (lm m-2)）He-Ne激光器（10nW，d=1mm）10米外5105太陽（處于天頂位置）1.2105晴朗天空1104陰天1103全月（處于天頂位置）0.27無月的陰暗天空110-4距60瓦白熾

9、燈1米處1102第十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月常見照度計(jì)第十九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月輻射度學(xué)與光度學(xué)的兩條基本定律1輻射強(qiáng)度余弦定律 2距離平方反比定律第二十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1輻射強(qiáng)度余弦定律 “余弦輻射體”或“朗伯輻射體” 特點(diǎn)：各方向的輻射亮度是一樣的 例如：太陽 熒光屏 毛玻璃燈罩兩條基本定律第二十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1輻射強(qiáng)度余弦定律 “余弦輻射體”或“朗伯輻射體” 特點(diǎn)：各方向的輻射亮度是一樣的 兩條基本定律第二十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2.距離平方反比定律 用點(diǎn)光源照明時(shí)，被

10、照面的照度E與光源的發(fā)光強(qiáng)度I成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成反比。 第二十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月證明第二十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為，則：對(duì)于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，其中為漫反射率，它小于1，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。第二十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月關(guān)于光度量，正確的是（ ）A、輻射通量的單位為勒克斯 B、發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉C、光通量的單位為流明D、光照度的單位為坎德拉 小測(cè)試第二十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月填空題：1、通常把對(duì)應(yīng)

11、于真空中波長在（ ）到（ ）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。2、在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類，一類是（ ），另一類是（ ）。3、光具有波粒二象性，既是（ ），又是（ ）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（ ），但當(dāng)光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時(shí)就突出地顯示出光的（ ）。 第二十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月作業(yè)1.某輸出功率為6mW的氦氖激光器，發(fā)出波長為0.6328m的光束，均勻地投射到0.8cm2的白色屏幕上。已知屏幕的反射系數(shù)為0.96，設(shè)光速C= 3108m/s，普朗克常數(shù) h = 6.62610-34js ，氦氖激光的視見函數(shù)V(6328) = 0.268， 試求：（1

12、）幕的光照度為多少lx？ （2）幕的反射出射度為多少lx？ （3）幕每秒鐘接收多少個(gè)光子？第二十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月作業(yè)2.在距離標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈2m遠(yuǎn)處放置一個(gè)照度計(jì)探頭，已知探頭的光敏面積為0.5 cm2，若照度計(jì)測(cè)得的最大照度為100(lx)，試求 1、 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在該方向的發(fā)光強(qiáng)度為多少？2、所發(fā)出的光通量為多少？第二十九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 輻射效率光源的基本特性參數(shù)在給定的12波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率比稱為在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。 第三十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 發(fā)光效率光

13、源的基本特性參數(shù)某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比稱為該光源的發(fā)光效率。 第三十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月光通量光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，也即為輻射通量（或輻射功率）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受的那部分有效當(dāng)量。；常見電一只40W的日光燈輸出的光通量大約是2100流明 發(fā)光效率，是指1W的電功率能轉(zhuǎn)化成多少光通量。常見光源的大致效率（流明/瓦）白熾燈，15日光燈，50鈉燈，120白光LED 25 lm/W ？光度學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第三十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 若令其最大值為1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為

14、相對(duì)光譜功率分布。3. 光譜功率分布 自然光源和人造光源大都是由多單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來進(jìn)行描述。決定光源顏色的客觀因素就是它的光譜功率分布；典型白光LED相對(duì)光譜分布曲線第三十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月峰值波長2 1：譜線帶寬，即半峰值寬度。第三十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 光譜功率分布0(a) 線狀光譜0(b) 帶狀光譜0(c) 連續(xù)光譜0(d) 混合光譜 低壓汞燈 激光 高壓汞燈 高壓鈉燈熱輻射光源鎢燈日常熒光燈第三十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月常見的幾種光譜分布第三十六張，

15、PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月典型光譜功率分布曲線第三十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 空間光強(qiáng)分布 利用配光曲線，提高光的利用率對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上自原點(diǎn)向各個(gè)徑向取矢量，就得到了光源在該截面的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。配光曲線表示一個(gè)燈具或光源發(fā)射出的光強(qiáng)在空間中的分布情況。第三十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5. 光源的分布溫度 輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜功率分布與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。 用黑體輻射特性近似表示一般非黑體輻射

16、光源的輻射特性，黑體的溫度決定了它的光輻射特性，對(duì)非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性近似的表示。對(duì)于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。第三十九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月5. 光源的色溫 輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。 由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對(duì)光譜功率分布不一定相同。 請(qǐng)注意，光源的色溫與光源本身的溫度是兩回事，通常兩者是不相同的。例如白熾燈光源本身溫度為2800K，但其色溫是2845K。LED第四十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月幾種標(biāo)準(zhǔn)光源 A

17、光源：色溫為2845K，相當(dāng)于白熾燈在2800K時(shí)輻射出的光。 B光源：相關(guān)色溫為4800K，相當(dāng)于中午直射的日光。 C光源：相關(guān)色溫為6700K，相當(dāng)于白天的自然光，它的藍(lán)色成分較多。 D65光源：相關(guān)色溫為6500K，相當(dāng)于白天平均光照。 標(biāo)準(zhǔn)光源和色溫 第四十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 光源的色溫 當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度增高時(shí)，最大的發(fā)射本領(lǐng)向短波方向移動(dòng),所以色溫較高的光源，其發(fā)出的輻射能較多地分布在波長較短的綠光和藍(lán)光之中；而色溫較低的光源，其輻射能較多地分布在波長較長的紅光中。因此，在上述幾種標(biāo)準(zhǔn)白光中，色溫較低者，偏紅；色溫較高時(shí)，偏藍(lán)。第四十二張，PPT共五十一

18、頁，創(chuàng)作于2022年6月絕對(duì)黑體溫度與輻射峰值波長對(duì)應(yīng)值絕對(duì)黑體溫度（K）1000200030004000500060007000輻射峰值波長（um）2.8981.4490.9660.7250.5800.4830.415第四十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月不同色溫的光源在色度圖中的位置，可見不同色溫的光，其顏色也不同。第四十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月6. 光源的相關(guān)色溫 對(duì)于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)的光源用相關(guān)色溫表示。在均勻色溫度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫

19、。平時(shí)我們所說的色溫大多是指相關(guān)色溫。 人工光源中，只有白熾燈與黑體加熱發(fā)光相似，其色溫為2856K，呈現(xiàn)的昏黃色與黑體在2856K時(shí)發(fā)出的顏色一樣，而燈絲也接近此溫度。其它人工光源的光色，不是黑體輻射，只能比照黑體輻射同顏色時(shí)的溫度。 第四十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月色表：眼睛直接觀察光源時(shí)看到的顏色，即色表，是衡量光源色的指標(biāo)。 高壓鈉燈：黃色；熒光燈：白色7. 光源的顏色 顯色性：光源照射到物體后，人眼所看到的物體外觀呈現(xiàn)的色彩客觀效果。用顯色指數(shù)Ra表示，是衡量光源視覺質(zhì)量的指標(biāo)。第四十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月顯色性好（Ra70）顯色性差(Ra65

20、)發(fā)光體（太陽光）的顯色性Ra=100。即任何物體在太陽光的照射下，該物體具有最真實(shí)的顏色或質(zhì)感第四十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月附：1.色調(diào)：彩色物體的色調(diào)決定與在光照明下反射光的光譜成分。例如，某物體在日光下呈現(xiàn)綠色 是因?yàn)樗瓷涞墓庵芯G色成分占優(yōu)勢(shì)，而其它成分被吸收掉了。對(duì)于透射光，其色調(diào)則 由透射光的波長分布或光譜所決定； 2.色度：色調(diào)和飽和度的合稱，并不能反映明亮度。 顏色與色度 顏色黑灰白 彩色 明度：顏色的明亮程度 色調(diào)：顏色的類別飽和度：顏色的純度色度Relationship第四十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 顏色與色度三原色 三基色是相互獨(dú)立的，其中任一色均不能由其它二色混合產(chǎn)生。它們又是完備的，即所有其它顏色都可以由三基色按不同的比例組合而得到。有兩種基色系統(tǒng)，一種紅、綠、藍(lán)；另一種是黃、青、紫（或品紅）。 紅綠黃 紅藍(lán)紫 藍(lán)綠青 紅藍(lán)綠白 用C代表一種顏色，（R）、（G）、（B