第一章輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)

第1章輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)主講：王元樟副教授E-mail：wangyzh2006@126.com第1章、輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)§1.1輻射度量§1.2光度量§1.3人眼視覺(jué)特性§1.4朗伯輻射體及其輻射特性§1.5幾種典型光輻射量的計(jì)算公式§1.1輻射度量1.1.1、立體角:（Ω）立體角Ω是描述輻射能向空間發(fā)射、傳播或被某一表面接收時(shí)的發(fā)散或會(huì)聚的角度。①定義：以錐體的基點(diǎn)為球心做一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積dS和球半徑r平方之比②定義式:Ω=S/r2

③單位:球面度sr(steradians),即以錐頂為球心，以r為半徑作一圓球，如錐面在圓球上所截面積等于r2，該立體角為一個(gè)球面度。④整個(gè)球面度為:Ω=S/r2=4Л半個(gè)球面度為:Ω=S/r2=2Л§1.1輻射度量1.1.2輻射度量的名稱、定義、符號(hào)及單位（GB3102.6-1982)1、輻射能：Ｑ(Radiantenergy)定義：輻射能簡(jiǎn)稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位焦耳（Ｊ）。當(dāng)描述輻射能量在一段時(shí)間內(nèi)積累時(shí)，用輻能來(lái)表示。2、輻能密度（w）輻能密度定義為單位體積元內(nèi)的輻射能，即w=dQ/dv3.輻射通量：(Φ,P)(Radiantflux)又稱:輻射功率Pe（Radiantpower)定義:以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的功率，用以描述輻能的時(shí)間特性。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于連續(xù)輻射體或接收體，以單位時(shí)間內(nèi)的輻射能，即輻射通量表示。

定義式:均勻輻射:

單位:瓦特(Ｗ)或焦耳/秒(J/S）１Ｗ=1J/S4、輻射強(qiáng)度（I）定義：在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量。②、定義式:

均勻輻射:③、單位:瓦/球面度（W/Sr）④、均勻點(diǎn)輻射源（各向同性）Ie不隨方向變而變，故整個(gè)球面的輻射通量為：

Φe＝IeΩ＝4ЛIe5、輻亮度:（Ｌ)

(Radiance)1.定義:光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。沿r方向的輻射強(qiáng)度Ie與面元dA(在垂直于r方向平面正投影面積dA)的比值稱為dA沿r方向的輻射亮度。2.定義式:

3.單位:w/(m2·Sr)6、輻射出射度:（M）(Radiantexitance)1.定義:輻射體單位元表面所輻射的通量2.定義式:均勻輻射:3.單位:w/m2輻射照度:Ee(Irradiance)１.定義:被輻射的單位元表面里入射或獲得的輻射通量的多少２.定義式:均勻輻射:３.單位:w/m2輻射出射度與輻射照度的區(qū)別：輻射出射度與輻射照度的表達(dá)式和單位完全相同．區(qū)別在于:Me描寫面輻射源向外發(fā)射的輻射特性(a)

Ee描寫輻射接受面所接受的輻射特性(b)

§1.2光度量光度學(xué)中以光強(qiáng)的單位“坎德拉”作為基本單位，其他光度量的單位作為導(dǎo)出單位．光通量Φv(luminousflux)1.定義：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量的多少2.公式：Φv=dQv/dt3.單位：lm（流明）光強(qiáng)Iv(luminousIntensity)1.坎德拉(cd)的最新規(guī)定：即一個(gè)燭光，它是光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683w/Sr時(shí)，其光強(qiáng)為１坎（cd)2.光強(qiáng)定義:光源在指定方向上通過(guò)單位立體角內(nèi)的光通量的多少3.光強(qiáng)公式:Ｉv=dΦv/dΩ

發(fā)光均勻分布:Ｉv=Φv/Ω4.單位:cd（坎德拉）IwＩv=dΦv/dΩ光出射度Mv(Lminous

exitance)1.定義：面光源單位元表面內(nèi)向外所發(fā)射的光通量2.公式：Mv=dΦV/dＡ發(fā)光均勻：M=Φv/Ａ3.單位：lm/m2（流明/平方米）光照度Ev(illuminance)1.定義:被照物體單位元表面里入射或獲得的光通量的多少2.公式：Ev=dΦv/dＡ光通量分布均勻：Ev=Φv/Ａ3.單位:lx（勒克斯)照度流明面積(m2)光亮度Lv(luminance)1.定義:面光源在給定方向上，單位正投影面積的發(fā)光強(qiáng)度2.公式:

光通量分布均勻：

3.單位:cd/m2(坎德拉/平方米)光效η1.定義:面光源發(fā)出的總光通量與它所消耗的電功率之比稱為光源的發(fā)光效率2.公式:η=Φv/P電3.單位:lm/w4.對(duì)于白熾燈:直流供電氣體放電燈：P電=U燈I燈

交流供電氣體放電燈：P電=U燈I燈·cosφ5.常見(jiàn)幾種燈的發(fā)光效率：白熾燈：8-17lm/w金屬鹵化物燈：45-60lm/w日光燈：30-60lm/w高壓鈉燈：100-150lm/w低壓鈉燈：180-200lm/w光譜密集度：１.定義：包含該波長(zhǎng)的無(wú)窮小波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量與相應(yīng)波長(zhǎng)間隔之商稱為光譜密集度．２.公式：注:Xeλ代表任何一個(gè)輻射量e.g:光譜輻射通量為:

指的是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)向外輻射通量的多少

§1.3人眼視覺(jué)

眼睛的特性：錐體細(xì)胞的感光靈敏度低，在３cd/m2的亮度條件下作用，能分辨物體的顏色和細(xì)節(jié)稱之為錐體視覺(jué)又稱明視覺(jué)（ＰhotopicVision)桿體細(xì)胞只能在黑暗的環(huán)境下（L=3×10-5cd/m2以下)作用，稱之為暗視覺(jué)（ScotopicVision)

介于這兩視覺(jué)之間的視覺(jué)稱之為中間視覺(jué)（正常人眼睛對(duì)黃綠光最靈敏，對(duì)紅光和紫光最不靈敏）光譜光視函數(shù)曲線:1.光譜光視效率V(λ):設(shè)引起相同視覺(jué)的波長(zhǎng)和波長(zhǎng)為555nm的輻射通量分別為Φλ和Φ555則視覺(jué)函為:V(λ)=Φ555/Φλ是個(gè)無(wú)量綱的物理量２.物理意義:V(λ)反映人眼對(duì)各種不同波長(zhǎng)光的視覺(jué)靈敏度．將555nm所對(duì)應(yīng)的黃綠光波長(zhǎng)的光譜光視效率值定為１，為最大值；紅光和紫光的光譜光視效率值最??；紅外和紫外光的光譜光視效率值為０．３.由圖看出：明視覺(jué)條件下V(λ)所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為555nm，暗視覺(jué)條件下V(λ)所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為507nm.暗視覺(jué)明視覺(jué)光度量與輻射量的關(guān)系:研究表明：明視覺(jué)條件：

暗視覺(jué)條件：Km：最大光譜光效能（單位：lm/w)

明視覺(jué)條件：Km=683lm/w暗視覺(jué)條件：Km′=1725lm/w故光通量與輻射通量的關(guān)系：

§1.4光源的顏色與色溫光源的顏色：（色表和顯色性）1.光源的色表:光源發(fā)光時(shí)，人眼直接看光源時(shí)光源所呈現(xiàn)的顏色2.光源的顯色性:某光源與標(biāo)準(zhǔn)光源分別照射同一物體時(shí),人眼所產(chǎn)生的顏色類別用顯色指數(shù)來(lái)定量描述CIE計(jì)算CRI值的色板顯色指數(shù)顯色指數(shù)：用數(shù)字來(lái)表達(dá)演色能力帶有黃色濾片的白熾燈光照下的顯色性在低壓鈉燈光照下的顯色性顯色性幾種燈的顏色特性：1.高壓汞燈:色表↑，顯色性↓2.白熾燈:色表↓，顯色性↑3.鈉燈:色表和顯色性↓

被照物體顏色會(huì)失真結(jié)論:自身發(fā)光的物體顏色由光譜功率分布決定。本身不發(fā)光的物體顏色取決于光譜功率分布和物體的發(fā)射特性或透射特性。色溫與相關(guān)色溫:１.色溫:Tc(colourtemperature)

待測(cè)輻射源在溫度T時(shí)所呈現(xiàn)的顏色與某一溫度Tc時(shí)的黑體顏色相同(色品相同)則稱Tc為該輻射體光源的顏色與色溫的色溫度。簡(jiǎn)稱色溫Tc(單位:Ｋ)

各光源的色溫２.相關(guān)色溫：在均勻色品圖中黑體軌跡上與待測(cè)輻射體色品最接近的色溫度稱之為相關(guān)色溫用Ｔ表示（單位：Ｋ）

u-v色度圖中黑體軌跡和等色溫線照度與色溫關(guān)系為了使照明具有良好的效果，所選用的光源的色溫必須與要求的照度相適應(yīng).

照度和光源色溫的關(guān)系§１.５光輻射測(cè)量中的定律與定則朗伯定律或理想漫射面的余弦定則:１.朗伯定律在θ方向上：

在法線方向上：

如果發(fā)光面或漫射面的輻亮度不隨方向而改變，則故2.遵從朗伯定律的光源稱為朗伯光源．只有絕對(duì)黑體和理想漫反射體才是朗伯光源

3.朗伯光源的特性①單位面積上的光出射度為其亮度的倍：或

②當(dāng)二個(gè)元表面dA1.dA2亮度相等時(shí),一元表面發(fā)射到另一元表面的光通量等于它自身獲得的光通量．即距離平方反比定律１.在r⊥dA方向上的光強(qiáng)為:面積為dA的照度E為:而故垂直于光線傳播方向的被照元表面的照度與光強(qiáng)成正比，而與光源到被照元表面的距離平方成反比即為距離平方反比定律(圖如下）

２.當(dāng)被照元表面dA到光源的距離由r1變到r2時(shí)，則相應(yīng)的照度由E1→E2有下列關(guān)系：

E1/E2=r12/r22可知距離變化一倍，照度變化四倍．100lx11lx25lx1m2m3m平方反比定律當(dāng)光源為點(diǎn)光源、距離大于光源最大尺寸的十倍時(shí)，此定理成立注意:滿足此定律前提：

①點(diǎn)光源（L≥10R)

②在介質(zhì)中光不被吸收

③在給定的立體角內(nèi)，光通量分布均勻?qū)嶋H:

①光源尺寸取得足夠?。ň嚯x加大）

②在空氣中，可忽略光吸收③立體角要足夠小

dΩ

dA

照度的余弦定則

Ｎ

I→r