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辐射度学与光度学基础知识

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辐射度学与光度学基本知识

辐射度学与光度学基本知识

（§1-5）了解几种常见激光器。
E、H
§１.２ 辐射度学与光度学基本知识
对于光辐射的探测和计量，存在着两套体系:
辐射度量:只与辐射客体有关的量,基本量是辐射通量 （又称为辐射功率）或者辐射能. 基本单位 是瓦特（W）或者焦耳(J)。适用于整个电 磁波段。
光度量: 反映人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度， 基本量的是发光强度，基本单位是坎德拉 (cd)。只适用于可见光波段。
定义式
单位
辐射能 辐射通量
辐射出射度
辐射强度 辐射亮度 辐射照度
dQe＝ edt e(基本量) Me=de/dS Ie=de/d
Le=dIe/(dScos)
Ee=de/dA
J=Ws
W W/m2 W/sr
(W/sr)/m2
W/m2
光量 光通量 光出射度 发光强度 (光)亮度 (光)照度
dQv=v dt dv=Iv d Mv=dv/dS
回顾:
1.0
坎德拉定义中的 (1 的 光而言，就是1lm/sr, 即:1cd.
光视 效 率
0.8
V' 510nm 555V nm
0.6
0.4
暗视觉
0.2
明视觉
0.0
400
500
600
700
800
波 长 (nm)
§１.２ 辐射度学与光度学基本知识 光通量(lm)与辐射通量(辐射功率,W)的换算：
＝ 555nm 的 单 色 光 视 效 率V=1, 为最大值.
§１.２ 辐射度学与光度学基本知识
光视效率(视见函数):
V
K Km
K 683
(1 13)
1.0
暗视觉相对于明
视觉蓝移.
辐射度学与光度学基本知识

辐射度学与光度学基本知识


角。
辐射度学与光度学基本知识
定义:一个任意形状椎面所包含的空间 称为立体角。
符号：Ω 单位：Sr （球面度）
• 如图所示，△A是半径 为R的球面的一部分， △A的边缘各点对球心O 连线所包围的那部分空 间叫立体角。
• 立体角的数值为部分球 面面积△A与球半径平 方之比，即
A R2
辐射度学与光度学基本知识
Q是辐射能量。Φ与功率意义相同。（ ： 辐射通量与辐射功率P混用）
辐射度学与光度学基本知识
1.辐射强度：I
• 数学描述：若点辐射源在小立体角△Ω内的辐射 功率为△Φ，则△Φ与△Ω之比的极限值定义为辐 射强度.
lim I
0
单位：W/Sr （瓦/球面度）
• 物理描述：点辐射源在某一方向上的辐射强度， 是指辐射源在包含该方向的单位立体角内所发出 的辐射通量。
面积元△A向小立体角△Ω内发射的辐射功率 是二阶小量△(△Φ)＝△2Φ； • 在θ方向看到的源面积是△A的投影面积
△Aθ＝△Acosθ ，
辐射度学与光度学基本知识
• 因此，在θ方向上观测到的源表面上该位置
的辐亮度就定义为△2Φ与△Aθ及△Ω之比的 极限值
L
liAm00
2 A
2 A
2
A cos
辐射度学与光度学基本知识
§2-1 描述辐射场的基本物理量
• 一、立体角：
• 在光辐射测量中，常用的几何量就是立
体角。立体角涉及到的是空间问题。任
一光源发射的光能量都是辐射在它周围
的一定空间内。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。与平面角度相似，我们可把整
个空间以某一点为中心划分成若干立体
第讲 辐射度学与光度学的基础知识

第讲 辐射度学与光度学的基础知识


I I0 I I 0 cos dA cos dA
I0
L L
Iθ
θ
L
L dA
L
L
dA
朗伯余弦定律（2）
M L cos d L cos d dS rd d r sin d 2 sin d d 2 r r M L
S2
S1
θ
S3
x
作业题
1. 2. 3. 4.
5.
求光辐射的频率范围？ 波长为1μm的一个光子能量具有多少 eV ? 一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地 面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面上的 照度为30lx，求该灯的光通量？ 一支氦氖激光器发出的激光束光通量为0.36lm， 该激光束的平面发散角为1mrad，激光器的放电 毛细管直径为1mm，求该激光束的发光强度、 光亮度和光出射度？ 某曝光计之受光片为一直径为4cm的黑色圆形金 属板，中心最大辐照度为5W/cm2，边沿最小辐 照度为1W/cm2，从中心到边沿，辐照度按直线 规律变化，求照射在受光片上的辐射通量和平 均辐照度？
距离平方反比定律
点源在接收面上产生的照度
d I d Ex dA dA dA cos I 2 l dA I cos l2
I
dΩ n
l θ
x
dA
A
面源在接收面上产生的照度？《教材》P37 图2-8
朗伯余弦定律（1）
朗伯辐射体：辐射亮度与辐射方向无关 （漫反射体） Lθ = L0 = L
辐射度学与光度学的概念
辐射度学 研究电磁波辐射能量的测试和计量的一门科学 辐射度量 用能量单位定量描述电磁波辐射的客观物理量 光度学 研究可见光能量的测试和计量的一门科学 光度量 人眼接收的光辐射所引起的视觉刺激大小的度量
辐射度学和光度学基础课件

辐射度学和光度学基础课件


能源利用效率。
02
医学影像技术
在医学影像技术中，辐射度学的知识可以帮助我们理解影像的形成机制
和优化影像质量；同时，光度学的知识可以帮助我们设计更好的医用光
源和照明系统。
03
视觉科学
光度学的知识在视觉科学中有着广泛的应用，例如人眼的光觉响应、颜
色视觉等；而辐射度学的知识可以帮助我们理解视觉感知的物理基础。
辐射度和光度在照明设计 中的应用
照明设计的基本原则
功能性原则
照明设计应满足人们的 基本照明需求，提供足 够的亮度以适应不同的
活动和环境。
舒适性原则
照明设计应考虑人的视 觉舒适感，避免过强或 过弱的光线造成视觉疲
劳或不适。
经济性原则
照明设计应考虑成本和 能耗，合理选择高效、 节能的照明设备和控制
系统。
研究的范围不同
辐射度学的研究范围涵盖了整个电磁波段，而光度学主要关注可见 光波段。
应用的领域不同
辐射度学在能源、环境、气象等领域有广泛应用，而光度学在照明 、显示、摄影等领域有广泛应用。
辐射度学与光度学的应用领域
01
能源与环境监测
辐射度学的方法可以用于测量和监测环境中的电磁辐射能量，例如太阳
辐射、地球辐射等；光度学的知识可以用于设计合理的照明系统，提高
辐射度学主要研究电磁辐射的能量分布和传输，而光度学则关注光 辐射的度量、测量和应用。
两者有共同的基础概念
例如，辐射通量、辐射照度、辐射亮度等概念在两者中都有涉及。
两者在某些领域有交叉
例如，在照明工程和光环境设计中，光度学的知识和方法常常与辐 射度学的知识相结合。
辐射度学与光度学的区别
研究重点不同
辐射度学更注重电磁辐射的物理特性和传输规律，而光度学更注 重光辐射的视觉感知和应用。
辐射度学和光度学基础

辐射度学和光度学基础

辐射度学和光度学 基础
第12章 辐射度学和光度学基础
§12-1 辐射度学的基本物理量 §12-2 光度学的基本物理量 §12-3 照度定律
辐射度学与光度学
辐射度学(Radiometry )是研究电磁辐射能测量的一 门科学. 辐射度量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量.
光度学(Photometry )是照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位 相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通 量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的 角度来定义的
deIdeI0cos 余弦辐射体或朗伯体
沿其法线方向的辐射强度
余弦辐射体的辐射亮度
Le
dI e 0 dA
Le 0
可见:余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角 无关。
余弦辐射体的辐射出射度
Me
de dA
Le0
六 辐射照度
在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元 dA上的辐射通量与该面元的面积之比。
单位：瓦特每平方米（W/m2）
10nm ~ 1mm，或频率在310 Hz~310 Hz范围内。 沿其法线方向的辐射强度
8nm的激光束，发散角为1mrad，发散角与立体角的关系为
，若波长63126.
11
余弦定律同理可用于光照度上
一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分 8nm光波的光谱光效率 ＝0.
8nm的激光束，发散角为1mrad，发散角与立体角的关系为
与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。 辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。
光谱辐射度量与辐射度量之间满足
辐射度学(Radiometry )是研究电磁辐射能测量的一门科学.
辐射度学与光度学的基础知识课件

辐射度学与光度学的基础知识课件

总结词
辐射度学的应用领域广泛，包括天文、气象、环保、 能源等领域。
详细描述
辐射度学的应用领域非常广泛。在天文领域，通过对天 体的辐射特性进行研究，可以深入了解天体的组成和演 化过程；在气象领域，通过对地球表面和大气的辐射特 性进行测量和计算，可以预测天气和气候变化；在环保 领域，可以利用辐射度学的方法监测环境污染和评估环 境质量；在能源领域，可以通过研究物质的辐射特性， 实现能源的高效利用和节能减排。此外，辐射度学还在 医学、农业等领域有着广泛的应用。
详细描述
光度量是用来描述光的特性的物理量。其中，光通量表示光的总量，发光强度表示光源在一定方向上 发射光的强度，照度表示光照在物体表面的强度，光色则涉及到人对光的视觉感知。
光度学的应用领域
总结词
光度学的应用领域广泛，包括照明设计、显 示技术、摄影和医学影像等。
详细描述
光度学在各个领域都有重要的应用价值。在 照明设计领域，光度学为提高照明质量和能 效提供了理论支持；在显示技术领域，光度 学帮助优化屏幕亮度和色彩表现；在摄影和 医学影像领域，光度学则有助于获取高质量 的图片和影像。
03
辐射度学与光度学的关系
辐射度学与光度学的联系来自1 2两者都是研究光和辐射的学科
辐射度学主要研究光和电磁辐射的能量和功率， 而光度学则关注光的质量和视觉感知。
共同的理论基础
两者都基于物理光学和电磁理论，研究光和辐射 的传播、吸收、散射和发射等特性。
3
交叉应用领域
在某些领域，如照明工程、光环境评估等，辐射 度学和光度学有交叉应用，相互补充。
04
辐射度学与光度学的应用 实例
辐射度学的应用实例
太阳辐射测量
辐射度学可以用于测量太阳辐射，包括紫外、可见和红外 波段的辐射能量，对于太阳能利用和气象观测具有重要意 义。
辐射度与光度学基础知识课件

辐射度与光度学基础知识课件

详细描述
辐射度学主要研究电磁波的发射、传播、吸收、散射和转换等过程，以及这些 过程中电磁波的能量分布和传输规律。它涉及到电磁波与物质相互作用的基本 规律，是光学、光谱学、热力学等多个学科的基础。
辐射度学单位
总结词
辐射度学中常用的单位包括瓦特、焦耳、坎德拉等，用于描述电磁辐射的能量、功率和亮度等物理量 。
照明工程中的辐射度和光度学的综合应用
在照明工程中，辐射度和光度学是相 辅相成的两个领域，综合应用可以更 好地满足实际需求。
综合应用还体现在照明设计过程中， 需要综合考虑光源的辐射特性和光照 效果，以及人类视觉感知的需求，以 实现最佳的照明效果。
通过结合辐射度和光度学的原理，可 以更精确地控制光源的辐射特性和光 照效果，提高照明质量和效率。
照明工程中的辐射度学应用
辐射度学是研究光辐射在空间分布、传输和度量的科学，在照明工程中有着广泛的 应用。
利用辐射度学原理，可以精确测量和控制光源的辐射特性，如光谱分布、光强空间 分布、辐射温度等，从而优化照明系统的性能。
辐射度学还用于研究光环境对人类视觉感知的影响，为照明设计提供科学依据，提 高照明质量和舒适度。
详细描述
辐射度学涉及一系列物理量，这些物理量用于描述电 磁波的各种特性。其中包括辐射能量（描述电磁波携 带的能量大小），辐射通量（描述单位时间内通过某 一面积的能量大小），辐射强度（描述光源在某一方 向上发射的光的强度），辐射亮度（描述物体表面反 射或发射光的亮度）。这些物理量在研究电磁波的发 射、传播、吸收、散射和转换等过程中具有重要意义 。
详细描述
流明是光通量的单位，表示单位时间内发出的光的总量。坎德拉是发光强度的单位，表示单位方向上单位立体角 内发出的光的强度。勒克斯是光照强度的单位，表示单位面积上单位立体角内发出的光的强度。这些单位在光度 学中具有重要地位，用于描述光辐射的度量和性质。
辐射度学和光度学基础

辐射度学和光度学基础

名称
光能量Qv
定义方程
单位名称
流明秒
单位
lm· s
没有光能量密度
光通量Φ v 若称光功率则为W 发光强度Iv 光亮度Lv Φ v=dQ/dt Iv=dΦ v/dΩ Lv= dΦ v/dAcosθ dΩ Mv= dΦ v/dA Ev= dΦ v/dA 流明 流明每球面度 (坎德拉) 流明每球面度平 方米（坎德拉每 平方米） 流明每平方米 流明每平方米 （勒克斯） lm lm/sr (cd) lm/srm2 （cd/m2） lm/m2 lm/m2 (lx)
J/m3
W W/sr W/srm2 W/m2
光照度Ev
辐射照度Ee
lm/m2 (lx)
W/m2
一、辐射度学和光度学基本物理量
二、视见函数

视见函数V(λ)定义：人眼对不同可见光波长的平均相对灵敏度。 （1）相同的光通量，同一个人的视觉神经对不同波长的感光灵 敏度不同。 （2）相同的光通量，不同人的视觉神经不同，同时心理也不同， 同样对不同波长的感光灵敏度不同。 （3）视觉函数是平均的结果。 （4）相对数值，是指进行归一化。 （5）构成了可见光波长与平均相对灵敏度之间的对照数据表。 （6）将数据表格中的波长为横坐标，相对灵敏度为纵坐标作图
黑体模型
4.1 黑体辐射

黑体概念深入
黑体是对外界辐射量完全吸收的理想物体， 自然界并不存在。 自然界存在着灰体，即一部分能量吸收，一 部分能量反射。


灰体辐射的规律接近黑体。
四、黑体辐射
4.2 黑体辐射定律（普朗克定律），黑体辐射出度表达式
W

c h
2hc 2

5

1 e hc / kT 1
应用光学辐射度学和光度学基础

应用光学辐射度学和光度学基础

4r2 4
r2
即整个空间等于4 π球面度。
8
立体角是平面角向三维空间的推广。 在二维空间，2π角度覆盖整个单位 圆。
在三维空间， 4π的球面度立体角 覆盖整个单位球面。
9
第二节 辐射度学中的基本量
（1）辐射能 Qe ➢ 光辐射是一种能量的传播形式。 ➢度量辐射能的单位：焦耳（J）
10
（2）辐射通量 Φe ➢ 单位时间内发射、传输或接收的辐射能。
36
（二）、硅光电池
即常说的太阳能电池。 （三）、硅光二极管
利用P－N结单向导电的结型光电器件。 当有光照时，会产生电流。其特点是响应 频率非常高，理论上可以达到几个G
37
（四）、硅光三极管
结构与晶体三极管相似，但基极不接导线， 是一个较大的光接受面。与光电二极管相 比具有放大作用。响应频率不如二极管， 还与负载有关 RL=1KΩ 时，f=100kHz
2、光源照射到物体上所产生的客观效果，称为光 源的显色性。
34
光源的光谱能量分布情况是决定该光源色 表与显色性的重要因素。如果能量分布连 续而均与，则色表和显色性一定好，反之 则较差。 四、光的接收器
设计一个光学系统，其最终的目的是使接收 器接受到所需的信号。
人眼是光学系统最重要的接收器。
很多现代光学仪器采用光电探测器作为接收 器，将光信号转换为电信号。
但是波长在380nm，780nm以外区域的辐 射能，不管有多大功率的辐射通量进入人眼， 将是感觉不到的。
20
第四节 光度学中的基本量
（1）光通量( Φ )
标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。 光通量的单位：流明（lm）
光源发出555nm波长的光，如果功率为1W ， 则其光通量为683lm
辐射度学和光度学基础

辐射度学和光度学基础


Φ = K ⋅ Φe = 15 × 60 = 900 lm Φ I= = 71.62cd 4π
§6-4 光度学中的基本量
n 二、光出射度和光照度
ü发光体单位面积发射的光通量，称光出射度，记作 ü接受体单位面积接收到的光通量，称光照度，记作
M E
dΦ M = dS dΦ E= dS
光照度的单位为：勒克斯（lx）
2
1lx = 1lm / m
表6-3
§6-4 光度学中的基本量
n 例：如图所示，在15m处照明直径为2.5m的圆面积。要求像面平 均照度为50lx，聚光镜的焦距为150mm，通光孔径也为150mm，求 灯泡的发光强度和灯泡通过聚光镜成像后在照明范围内的平均发光 强度，以及灯泡的功率和位置。 像面总光通量：
2
2.5m
150mm 15m
§6-4 光度学中的基本量
n 例：如图所示，在15m处照明直径为2.5m的圆面积。要求像面平 均照度为50lx，聚光镜的焦距为150mm，通光孔径也为150mm，求 灯泡的发光强度和灯泡通过聚光镜成像后在照明范围内的平均发光 强度，以及灯泡的功率和位置。 像面总光通量：
பைடு நூலகம்
§6-4 光度学中的基本量
n 一、发光强度和光通量
I = C ⋅ V (λ ) ⋅ I e
发光强度I 的单位为坎德拉（坎，cd），为七个国际基本计量单位之一。 定义：1cd为发光体发出555nm的单色波，且测得同方向的辐射强度为 (1/683)W/Sr，则发光体在该方向上的发光强度为1cd
V (555) = 1 1 1cd = C ⋅1 ⋅ 683
Φ e = ∫ Φ eλ d λ
0 ∞
Φe λ
0
∆λ
辐射度学与光度学的基础知识

辐射度学与光度学的基础知识

辐射度学与光度学的基础 知识
• 辐射度学基础 • 光度学基础 • 辐射度学与光度学的关系 • 实际应用中的辐射度和光度问题 • 总结与展望
01
辐射度学基础
辐射度学的定义与概念
总结词
辐射度学是研究电磁辐射的发射、传 播、吸收、散射和转换等过程的科学。
详细描述
辐射度学主要关注电磁辐射的能量、 功率、辐射通量、辐射强度等物理量 的测量和计算，以及这些物理量在不 同介质和环境中的变化规律。
02
光度学基础
光度学的定义与概念
总结词
光度学是研究光辐射的度量、测量和应用的学科，它涉及到光辐射的定量描述和测量。
详细描述
光度学主要研究光辐射的属性、度量单位、测量方法和应用。它关注的是光辐射的能量、 功率和辐射通量等物理量的度量，以及这些物理量在不同媒介中的传播、散射和吸收等
行为。
光度量
1. 光通量
光度定律
总结词
光度定律是描述光辐射在不同媒介中传播时遵循的规律， 包括斯涅尔定律、反射定律和折射定律等。
1. 斯涅尔定律
也称为反射定律，它描述了光线在两种不同媒介的交界面 上的反射和折射行为，即入射角等于反射角，折射角与入 射角成正比。
2. 折射定律
当光线从一种媒介进入另一种媒介时，其传播方向会发生 变化，这个变化与两种媒介的折射率有关。折射定律描述 了折射光线与入射光线之间的关系。
光源的辐射度和光度性能
光谱分布
不同光源的光谱分布不同，这决定了它们在颜色 表现、显色指数等方面的性能。
光效
光效是衡量光源效率的指标，光效高的光源在相 同亮度下消耗的电能更少。
寿命与稳定性
光源的寿命和稳定性也是重要的性能指标，它们 决定了光源的使用和维护成本。

辐射度与光度学的基础知识


Xνλ——光度量；Xeλ——辐射量； Km是常数；V(λ)光谱光视效率。 5. 明视觉和暗视觉：人眼在环境亮度不同时对 颜色的视觉效率不同。 明视觉：光亮度大于几个cd/m2 暗视觉：光亮度小于0.01cd/m2
二、光度的基本物理量
1. 光通量
单位时间内光源发出的光能量（功率）
780nm
K m
注:
1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，‚
2. 3. 4. 5. 辐射‛——“光‛。 下角标有e、λ、ν，辐射量在与其它量同用时 标e。 从表达式可直接说出定义及物理意义 从表达式可直接说出单位 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注 意一个是发射，一个是接收。
三个发射量的区别和关系
是辐射量对人眼视觉的刺激值。是主观的,不管辐射量大小 ,以看到为准。光谱光视效率是评定该刺激值的参数。 基本物理量是发光强度，单位坎德拉。一个光源发出频率 为540*1012Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度
为1/683W/sr,则该光源在该方向上的发光强度为1cd。
一、光谱光视效能和光谱光视效率
光谱光视效能（K） ，描述某一波长的单色光辐射 通量产生多少相应的单色光通量。即光视效能K定 义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值， 即
Φ ——在波长λ处的光通量 Φeλ ——在波长λ处的辐射通量 单位：流明/瓦特（lm/W）。
νλ
通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率
5401012Hz（波长555nm）处，K有最大值，其
黑体 在物理学中，所谓黑体，是指这样 一种物体，在任何温度下，它将入射的任 何波长的电磁波全部吸收，没有一点反射， 而在相同温度下，它所发射出的热辐射比 任何其他物体都强。 光有多种颜色组成, 黑色吸收所有颜色,不反射任何颜色,即没 有光线进入眼睛时,称之为黑色。如果一个 物体能够全部吸收而不反射投射于其上的 辐射,就称它为绝对黑体,简称为黑体。

辐射度学与光度学的基础知识课件

共同的理论基础
两者都基于物理光学和电磁波理论，研究光与物质的相互作用以及 光的传播、散射、吸收等特性。
交叉应用
在某些领域，如照明工程、光环境评估等，辐射度学与光度学的知 识是相互补充的。
辐射度学与光度学的区别
研究重点不同
辐射度学更注重光辐射的物理特 性和能量测量，而光度学则关注 光对人眼的视觉效应和光照度的
度量。
测量对象不同
辐射度学测量的是光辐射的能量和 功率，而光度学则测量光照度和亮 度等视觉感知相关的参数。
应用领域有差异
辐射度学在能源、环境监测等领域 有广泛应用，而光度学在照明设计、 视觉科学等领域更为常见。
辐射度学与光度学的应用领域
能源与环境监测
照明工程
辐射度学用于测量太阳辐射、红外辐射等 能源相关领域的光辐射参数，以评估能源 利用效率和环境影响。
仪器性能测试
利用光度学参数对光学仪 器进行性能测试和校准。
视觉科学
研究人眼对光的响应和视 觉感知，提高视觉舒适度 和视觉效率。
在辐射测量和检测技术中的应用
辐射度测量
测量光辐射的能量和功率，用于 太阳能利用、激光技术等领域。
辐射安全与防护
评估辐射对人体的影响，制定辐 射安全与防护措施。
检测技术
利用光度学原理发展各种检测技 术，如光谱分析、荧光分析等。
05 辐射度学与光度学的未来 发展
新的物理量和单位的发展
新的物理量
随着科技的发展，辐射度学与光度学 中可能会引入新的物理量，如光子能 量、光子流密度等，以更好地描述光 辐射和光传输过程中的特性。
新的单位
为了适应新的物理量，可能需要发展 新的单位，如光子能量单位“电子伏 特”等，以提供更准确、更一致的度 量标准。

辐射度学与光度学基本知识

光通量Φv：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的 光通量。单位：流明［lm］。
光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量 ，单位：勒 克斯［lx］，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的 光通量。
光度的基本物理量总结
光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的
– 辐射度量下标为e，例如Qe，Φe，Ie，Me，Ee – 光度量下标为v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev
– 有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置， 使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照 面上的照度。例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。
– 黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3； 阴天室内：5—50；阴天室外：50—500； 晴天室内：100—1000； 夏季中午太阳光下的照度：约为109； 阅读书刊时所需的照度：50—60； 家用摄像机标准照度：1400
• 当光通量到达一个表面时，我们用辐照度E (irradiance) 这一 词。
• 当光通量离开一个表面时，我们用辐出度M(radiance exitance)这一词，辐出度有时也称辐射度(Radiosity)。
立体角
• 在计算机图形学中，光源和视点常被看成点。用面积来度 量不太适合，而是用立体角(solid angle)来描述。立体角的 度量单位为球面度sr(steradians) 。
• 等价于每焦耳的光子数目为5.034×1015乘以光子的波长。 例如，在波长为550nm的波段处，每焦耳的光子数目大约 为2.77×109个。
光通量密度
• 光源的光通量Φ为每秒钟发射出的焦耳数(dΦ/dt)。也可用瓦特 W来度量(1W＝1J/s)
• 在光子离开光源后，下一步为如何度量它们到达表面。光通量 密度为单位面积接收的光通量，用瓦特/米2来度量。光通量密 度的概念可以应用于任何表面，无论是真实的或虚拟的。

辐射度和光度学基础



e de / d

若按光谱积分该函数，则可求得总的辐射通量值：
e e d
0
辐射度的基本物理量

前面介绍的几个重要的辐射量，都有与光谱辐射通量有相对应的关系， 如光谱辐照度Ee(λ) =dEe/dλ、光谱辐射出射度Me(λ)=dMe/dλ等， 其总辐射度量的积分形式也类似，我们将其列于表1－1中。
dI e d 2 e Le dS cos d dS cos

Lλ,b,N(λ,T)为黑体在辐射面法线方向的光谱辐射亮度。如果把ε’λ对半 球空间取平均值，就用“半球”来表示此平均值。
cos ' , , , T L ,b,N , T d ' , , , T L ,b,N , T d 0 ' , , T 0 T 4 cos L ,b,N , T d
第一章 辐射度和光度学基础
§1－1
辐射度量与光度学量
§1－2辐射度学与光度学中的基本定律

§1－3 辐射能的传输基础
§1－1 辐射度量与光度学量－引言



辐射度学（radiometry）或称辐射测量，是测量电磁波所传 递的能量（电磁辐射能）或测量与这一能量特征有关的其它 物理量的科学技术。人类生活在电磁辐射的环境中，被天然 的或人工的电磁辐射所包围，因此，在测量和控制这种辐射 能方面会有很多要求。在整个电磁频谱范围内，不同的频谱 段，应采用不同的辐射能测量方法。辐射度学量表示辐射能 的大小，基本量是辐射功率或辐射通量，单位是瓦特（W）。 辐射度学适用于整个电磁波谱，主要用于X光、紫外光、红外 光以及其他非可见的电磁辐射。所涉及的论题非常广泛，包 括辐射能的基本概念、辐射能的传输、变换以及仪器的辐射 度学校准或标定。 光度学适用于波长在0.38μm~0.78μm范围内的电磁辐射－ 可见光波段，它使用的参量称为光度学（photometry）量。 以人的视觉习惯为基础建立。辐射度学量是用能量单位描述 光辐射能的客观物理量。光度学量描述光辐射能为人眼接受 所引起的视觉刺激大小的强度，是生理量。光度学量的基本 量是光通量，单位是流明（lm）。

辐射度与光度学基础知识


1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的
量子论。 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出 光量子的概念。 光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性
1.2 辐射度的基本物理量
辐射能Qe
一种以电磁波形式发射、传播或接收的能量。单位：焦 耳[J]
辐射通量Φe
单位时间内通过一定面积发射、传播或接收的能量，又 称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］ 辐射强度Ｉe 点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。
1.1 光的基本性质
牛顿——微粒说 根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释
不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振
波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等 1690年 解释光的干涉和衍射现象 法拉第猜测光与电磁的存在一定关系 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波
1.1 光的基本性质
光量子说
注意：辐射出射度和辐射照度的表达式和单位完全相同， 其区别在于前者描述面辐射源向外发射的辐射特性，而
后者描述辐射接收面所接收的辐射特性。
1.2 辐射度的基本物理量
辐射亮度Ｌe 辐射表面定向发射的辐射强度。单位:［W/m2．Sr］ 光谱辐射通量Φe（λ） 辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通 量。 单位： ［W/μm］
Φe（λ）
Φe(λ)=d Φe / d λ
图1-2 光谱辐射通量与波长关系 0
λ λ +d λ
基本辐射度量的名称、符号和定义方程
1.3 光度量的基本物理量
发光强度Iv 发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的辐 射强度为1/683（Wsr-1）时，在该方向上的发光强度 规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）［cd］，它是 国际单位制中七个基本单位之一。 光通量Φv 光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。 单位：流明［lm］。 光照度Ev 单位面积所接受入射光的量 ，单位：勒克斯 lx，相 当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。

辐射度学和光度学基础


立体角的大小定义为：Ω=S／r 2 其中：Ω为立体角的大小 S为球面上的面积 r为球体的半径。
立体角的单位是“球面度”，用符号sr表示。 注意：上述公式计算立体角大小时，面积s可以是任意形
状的，如圆形，正方形，异形等。 球面的立体角： Ω=4πr2／r2=4π≈12.57球面度(sr)
一、辐射度学和pp光t课件度学基本物理量
辐射度学和光度学基础
ppt课件
1
主要内容
一、辐射度学和光度学基本物理量 二、视见函数（联系两者） 三、辐射度学和光度学基本物理量的关系 四、黑体辐射（应用，色度学）
ppt课件
2
1.1 电磁波谱
可见光定义波段：380~780nm（大部分定义）
一、辐射度学和pp光t课件度学基本物理量
3
1.2 研究范围
的光能量，Φv=dQ/dt，流明（lm） 3、其它5个量都直接与光通量相联系。光能
量、光强度、光亮度、光出射度、光照度。
一、辐射度学和pp光t课件度学基本物理量
12
1.10 联系辐射度学和光度学的坎德拉
1cd= 1/683 W/sr——坎德拉定义 1cd=1lm/sr——流明定义 555nm单色波长条件下
6
1.5 基本辐射度学物理量的核心量
辐射功率（辐射通量） 1、共7个物理量 2、辐射功率（辐射通量）：单位时间的辐射
能量，Φe=dQ/dt，瓦（W） 3、其它6个量除辐射能量密度外，5个量都直
接与辐射功率相联系。辐射能量、辐射强 度、辐射亮度、辐射出射度、辐射照度。
一、辐射度学和pp光t课件度学 光通量Φv 若称光功率则为W 发光强度Iv
光亮度Lv
光出射度Mv
1.8 基本光度学物理量
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表征辐射量随波长的分布特性； 是辐射量随波长的变化率。
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光谱辐射量
X () dX d
光谱辐射能
Qe
()
dQe
d
光谱辐射通量（功率）
e
()
d e
d
光谱辐射强度 光谱辐射亮度 光谱辐出度 光谱辐照度
Ie
()
dIe
d
Le
()
dLe
d
M e ()
dM e
d
Ee
()
dEe
d
Pe
()
dPe
d
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表征物体材料性质的辐射量
定义： 吸收率 P
Pi
反射率 P
Pi
透过率 P
Pi
则 α+ρ+τ = 1
Pi（入射功率） Pρ（反射功率）
材料 Pα（吸收功率ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Pτ（透过功率）
说明：α、ρ、τ的值均与材料的性质及表面状态有关；
α、ρ、τ的值是入射波长λ、物体温度 T 的函数
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第1页/共19页
辐射度学与光度学的概念
辐射度学 研究电磁波辐射能量的测试和计量的一门科学 辐射度量 用能量单位定量描述电磁波辐射的客观物理量 光度学 研究可见光能量的测试和计量的一门科学 光度量 人眼接收的光辐射所引起的视觉刺激大小的度量
第2页/共19页
辐射度学与光度学的异同点
相同点 辐射度量和光度量都是用来定量描述辐射能量大 小的，两者在研究方法和概念上基本相同，它们 的基本物理量也是一一对应的。
光度量中的几个单位
发光强度的单位 坎德拉（cd），它是国际单位制中七个基本
单位之一 光通量的单位
流明（lm），它是发光强度为1cd的均匀点光 源在单位立体角（1sr）内发射的光通量 光照度的单位
勒克斯（lx），它相当于 l lm的光通量均匀地 照射在 l m2面积上所产生的光照度
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单位时间内发射、传输或接收的辐射能，单 位为W（瓦），1W = 1J/s（焦耳每秒）
Фe = dQe /dt
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辐射度学的基本辐射量（2）
辐射出射度（辐出度）Me
辐射源单位面积向半球空间（2π立体角）发 射的辐射通量，单位为W/m2（瓦每平方米）
Me
de dS
辐照度 Ee
接收面单位面积上接收的辐射通量，单位为W/m2
不同点 辐射度量：适用于所有电磁波辐射波段，客观量 光度量：仅适用于可见光波段，客观量＋主观量
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辐射度学的基本辐射量（1）
辐射能 Qe 以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单
位为 J（焦耳） 当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其
它形式的能量，如热能、电能等。 辐射通量Фe（辐射功率 Pe ）
距离平方反比定律
点源在接收面上产生的照度
I
Ex
d
dA
I
d dA
I
dA cos
l2
dA
I cos
l2
dΩ n
lθ
x
dA
A
面源在接收面上产生的照度？《教材》P37 图2-8
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朗伯余弦定律（1）
朗伯辐射体：辐射亮度与辐射方向无关
（漫反射体） Lθ = L0 = L
I I0
dAcos dA
I I0 cos
L L
LL dA
L L
第16页/共19页
I0
Iθ
θ
dA
朗伯余弦定律（2）
M L cos d L cos d
d
dS r2
rd d r sin
r2
sin
d d
2
M L0
d 2 sin cos d L 0
第17页/共19页
例题
如图所示，点源 S1、S2、S3 的辐射强度均为 I ，
辐射能
Qe
辐射通量 e
辐照度
Ee
辐出度
Me
辐射强度 Ie
辐射亮度 Le
J W Wm-2 Wm-2 Wsr-1 Wm-2sr-1
光能
Q
lms
光通量
lm
光照度
E
lx（lmm-2）
光出射度 M
lmm-2
发光强度 I
cd（lmsr-1）
光亮度
L nt（cdm-2、 lmm-2 sr-1 ）
第12页/共19页
e Ie
e 4Ie
d
d
Ie (, )
第7页/共19页
辐射度学的基本辐射量（4）
辐射亮度 Le 辐射源单位表观面积向单位立体角内发射的
辐射通量，单位为W/sr·m2（瓦每球面度平方米）
Le
dIe
dS cos
d 2e
ddS cos
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光谱辐射量
辐射源发射的能量往往是由很多波长 的辐射所组成的，我们更关心能量的光谱 分布。 光谱辐射量（辐射量的光谱密度） 含义：单位波长间隔内的辐射量；
Ee
d e dS
第5页/共19页
辐射度学的基本辐射量（3）
辐射强度 Ie 点源向空间某一方向、单位立体角内发
射的辐射通量，单位为W/sr（瓦每球面度）
Ie
de d
第6页/共19页
各向同性点辐射源 在有限立体角Ω内： 在全球空间： 各向异性点辐射源 在全球空间：
e Ie (, )d
2
0 d 0 Ie (, )sin d
光的概念
电磁波谱 ⒈高频区：宇宙射线、γ 射线、x 射线 ⒉长波区：长电振荡、无线电波、微波 ⒊光谱区：紫外线、可见光、红外线 【广义】“光”是指光辐射，波长：0.01～1000 m 【狭义】“光”仅指可见光，波长：0.38～0.78 m 波粒二象性 波动性：λ·ν= c （λ′·ν=υ） 粒子性： E = hν P = hν/ c = h /λ
距 x 点的距离均为 d ，求 x 点的照度？
Ex E1 E2 E3
I cos I
d2 d2 0
I d2
1
cos
S3
S2 S1
θ
x
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作业题
1. 求光辐射的频率范围？ 2. 波长为1μm的一个光子能量具有多少 eV ? 3. 一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地
面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面上的 照度为30lx，求该灯的光通量？ 4. 一支氦氖激光器发出的激光束光通量为0.36lm， 该激光束的平面发散角为1mrad，激光器的放电 毛细管直径为1mm，求该激光束的发光强度、 光亮度和光出射度？ 5. 某曝光计之受光片为一直径为4cm的黑色圆形金 属板，中心最大辐照度为5W/cm2，边沿最小辐 照度为1W/cm2，从中心到边沿，辐照度按直线 规律变化，求照射在受光片上的辐射通量和平 均辐照度？
举例说明
光谱辐射通量
e ()
d e
d
含义：辐射源发出的在波长 λ处的单位波长间隔 内的辐射通量 单位为W/μm
单色辐射通量
de e d
W
波段辐射通量
e 1 2
2 1
e
(
)d
W
总辐射通量
第11页e /共190页e ()d
W
辐射度量与光度量的对照表
辐射度量 符 号 单 位
光度量 符号
单位