第1章辐射度学与光度学课件

辐射度学辐射度学 光度学光度学色度学色度学绪论绪论绪论绪论绪论绪论基本问题基本问题辐射度学辐射度学：电磁辐射能的度量与测量：电磁辐射能的度量与测量：研究：研究：电磁辐射能量的定义和测量方法。建电磁辐射能量的定义和测量方法。建立统一的标准。是单纯的客观物理量的问立统一的标准。是单纯的客观物理量的问题题应用应用：（所有电磁信息测量问题）宇宙光学（所有电磁信息测量问题）宇宙光学、热辐射、热辐射、遥感、光与物质的相互作用（光化学技术、光生物技术、遥感、光与物质的相互作用（光化学技术、光生物技术、光的热加工），激光技术等领域光的热加工），激光技术等领域 光度学：可见可见光辐射能引起的人眼视觉刺激效果的量度光辐射能引起的人眼视觉刺激效果的量度和测量和测量。属于心理物理量。属于心理物理量形式上与辐射度学类似，但它只处理人眼可感形式上与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为知的光，即可见光，波长范围为380780nm纳纳米。米。研究：研究：人眼对光刺激效果的特性（平均特性），刺人眼对光刺激效果的特性（平均特性），刺激效果的量化，刺激量的定义和测量。激效果的量化，刺激量的定义和测量。应用：应用：照明设计，光学仪器、环境工程、视觉研照明设计，光学仪器、环境工程、视觉研究等领域究等领域色度学色度学：有色光有色光（波长：波长：380780nm380780nm）不同光谱成不同光谱成分分辐射能引起的人眼视觉辐射能引起的人眼视觉颜色刺激颜色刺激效果的效果的量度和测量。量度和测量。研究：研究：人眼颜色视觉特性、色光刺激与人眼人眼颜色视觉特性、色光刺激与人眼感觉的量化定义、颜色的匹配与显示规律，感觉的量化定义、颜色的匹配与显示规律，颜色匹配技术、颜色的测量方法，颜色的颜色匹配技术、颜色的测量方法，颜色的分类与排列。分类与排列。应用应用：（和视觉颜色判断有关问题）颜色本：（和视觉颜色判断有关问题）颜色本身的测量，温度测量、遥感，管理等所有身的测量，温度测量、遥感，管理等所有涉及有颜色的领域。涉及有颜色的领域。学科区别：学科区别：辐射度学：辐射能的客观量度（物理学）光度学：可见光辐射+人眼对光波的响应效果量度 （物理学+生理学+心理学）色度学：可见光辐射+人眼对光波颜色的响应量度 （物理学+生理学+心理学+材料学等）第一章：第一章：辐射度与光度学的基础辐射度与光度学的基础问题：问题：如何描述一个辐射体（发光体）的如何描述一个辐射体（发光体）的物理物理特征？特征？我们能测量的辐射物理量是什么？我们能测量的辐射物理量是什么？时间的分布？时间的分布？空间的分布？空间的分布？光谱的分布？光谱的分布？1-1 辐射度学的基本物理量辐射度学的基本物理量辐射能：以辐射形式发射、传播或接收的能量。单位为焦耳J一般可描述辐射能的积累。辐射通量：辐射通量：（辐射功率（辐射功率 ）定义：定义：以辐射形式发射、传播或接收的功率以辐射形式发射、传播或接收的功率 （单位时间内的辐射能）单位为单位时间内的辐射能）单位为W W（瓦（瓦焦耳焦耳每秒）。每秒）。意义：意义：描述光源发射辐射的能力描述光源发射辐射的能力。（描述辐射源的时间特性描述辐射源的时间特性-能量的时间密度）。能量的时间密度）。（1-1）辐射强度：辐射强度：在在给定方向给定方向上的上的单位立体角内单位立体角内点辐射源点辐射源发发出的出的辐射通量辐射通量（辐射功率）（辐射功率）（1-21-2）单位：为单位：为W/W/srsr（瓦每球面度）（瓦每球面度）意义：描述辐射源发出的辐射通量在空间意义：描述辐射源发出的辐射通量在空间的分布值（的分布值（能量的空间密度能量的空间密度）。）。点辐射源：辐射源尺寸比传输距离小的多。辐射源尺寸比传输距离小的多。例如在地球上可以把太阳视为点光源。例如在地球上可以把太阳视为点光源。点光源发射球面波，不计辐射损失（反射、散射、吸收）点光源发射球面波，不计辐射损失（反射、散射、吸收）其辐射强度不变：其辐射强度不变：对各向同性点光源对各向同性点光源有有 （1-31-3）在空间所有方向上在空间所有方向上有有 （1-4）多数光源的辐射强度多数光源的辐射强度 并不是各向同性的，并不是各向同性的，如白炽灯。如白炽灯。(1-5)这种情况有：（1-5）dVNdSidA辐亮度（L）定义：辐射源在其传输方向上单位表面积上的辐射强度。单位为 （瓦每球面度平方米）（1-6）意义：求一小面元上的平均辐射强度，（物理上的点是无穷小的，不便解决测量问题）描述面光源的辐射强度的分布 是辐射传播方向与 面元法线的夹角。辐射出射度 辐射源单位面积上发射的辐射通量。单位 （1-7）一般指面辐射源，往半空间2立体角发射的辐射通量辐照度Ee 接收面上单位面元被照射的辐射通量。单位 W/m2 （1-8）、光谱辐射量 辐射量随波长的变化率:单位波长间隔内的辐射通量（辐射量的光谱密度）光谱辐射通量：（1-9）表示辐射源发出的光在某波长处单位波长间隔内的辐射通量。辐射源的总（光谱）通量：(1-10)光谱辐照度：(1-11)光谱辐亮度 (1-12)光谱辐射出射度：(1-13)1-2 朗伯辐射体及其辐射特性朗伯辐射体及其辐射特性 朗伯辐射体朗伯辐射体：辐射体的辐亮度和方向无关辐射体的辐亮度和方向无关，即辐，即辐射源各方向的辐亮度不变。射源各方向的辐亮度不变。绝对黑体和理想漫反射绝对黑体和理想漫反射体体是两种典型的朗伯体是两种典型的朗伯体根据辐亮度的定义：根据辐亮度的定义：（1-14）对于面积为对于面积为A A的辐射体，它在某一方向的辐亮度在的辐射体，它在某一方向的辐亮度在A A上是不变量，则在上是不变量，则在方向的辐射强度方向的辐射强度 （1-15）按朗伯体的定义辐亮度与方向无关，在按朗伯体的定义辐亮度与方向无关，在A A上：上：=常数 定义:为面元法线方向的辐射强度则有：（1-16）此即朗伯定律朗伯定律：一个辐亮度在各方向都相等的辐射面，在某一方向一个辐亮度在各方向都相等的辐射面，在某一方向的辐射强度等于平面法线方向的辐射强度乘以平面的辐射强度等于平面法线方向的辐射强度乘以平面法线与指定方向夹角的余弦。法线与指定方向夹角的余弦。朗伯体的辐射出射度：朗伯体的辐射出射度：由 得 dVNdSidA朗伯体的辐射出射度：朗伯体的辐射出射度：朗伯体面元dS在半空间上的辐射通量：由出射度的定义：（1-17）或：（1-18）例题：（北理工p29)已知已知:太阳辅亮度:L0=2x107W/(m2.sr),太阳的半径:r0=6.957x108m,地球的半径:re=6.374x106m，太阳到地球的年平均距离:L=1.496x1011m求：求：太阳的辐射出射度M0、辐射通量0、地球接收的辐射通量e、地球大气层边沿的辐照度Ee 解：解：太阳为朗伯光源 因此：其辐射出射度：M0=L0=6.2832x107W/m2太阳为均匀发光体：其辐射通量：0=M0 S太阳表面积=4r02M0=3.821x1026瓦瓦 太阳的辐射强度：I0=0/4=3.041x1025 W/sr地球对太阳的立体角：=re2/L2=5.703x10-9sr地球接收到太阳的辐射通量：e=I0=1.734x1017w地球大气边沿的辐照度E=0/4L2=I0/L2=1358.79W/m22 光度学的基本物理量1.光谱光效率函数光谱光效率函数 V()人眼对不同波长的光波具有不同的敏感程度人眼对不同波长的光波具有不同的敏感程度 在引起相同视觉的情况下，若所需某单色的辐在引起相同视觉的情况下，若所需某单色的辐射通量越小，则说明人眼对该光敏感度越高；射通量越小，则说明人眼对该光敏感度越高；反之，越低。为描述这一敏感度，反之，越低。为描述这一敏感度，引入引入光谱光效率函数光谱光效率函数。定义：定义：人眼对各种单色光的（人）平均敏感度人眼对各种单色光的（人）平均敏感度。意义意义：描述在辐射通量相同的情况下，人的眼睛对描述在辐射通量相同的情况下，人的眼睛对各种各种 不同波长的不同波长的 辐射产生的主观（亮度）感辐射产生的主观（亮度）感觉。觉。问题：问题：怎样确定光谱光视效率（函数）？怎样确定光谱光视效率（函数）？(异色)逐级比较法:波长1、2两束光，辐射通量分别为(1 1)和(2 2)，在视场中亮度相等时有 V(V(1 1)(1 1)=V()=V(2 2)(2 2)将V（）在峰值波长处归化为1:V(555nm)=1V(555nm)=1V（）1 （无量纲的系数；权重因子）4005076007901700暗视觉555明视觉3、实验曲线：实验曲线：人眼对波长为人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感，光的黄绿光最敏感，光度学中规定其视见度学中规定其视见函数为函数为1，则则视见视见函数的实验曲线如下图示：函数的实验曲线如下图示：2、光度学的基本概念、光度学的基本概念1、光通量光通量：定义定义：辐射通量与视见函数的乘积。21意义：意义：光源发出的辐射能通量通过视见函数的权重因子折合成光源发出的辐射能通量通过视见函数的权重因子折合成对人眼起作用有效视觉强度对人眼起作用有效视觉强度.单位单位：流明（lm）2 2、光源发出可见光的效率、光源发出可见光的效率光视效能（电光转换效率）Km:最大光视效能。对应于明视觉(3cd/m2)对应波长：555nm，K Km m =683 lm/w=683 lm/w Km对应于暗视觉(0.001cd/m2),对应波长507nm，K Km m=1725=1725 lm/w lm/w 对于其他波长：K K（）=K Km m V V（）lm/wlm/w 说明：明视觉：2度视场、暗视觉：10度视场光通量与电光效率的测量用积分球测量光源和灯具的总光通量 常见光源的光视效能（lm/w)（电光转换效率）钨丝灯：10-20卤钨灯：30萤光灯：30-60高压汞灯：60-70钠灯：60-80LED:60-1203、发光强度、发光强度1、定义：定义：点光源在单位立体角内发出的光通量。2、意义：意义：描述光源发出的光通量在空间一定范围内的分布值。3、单位：单位：坎德拉 通常 随方向而异。当 不随方向变化时，发光物体称均匀发光体。一般均假设点光源表征的物体为均匀发光体，故点光源辐射的光通量：4、照度、照度1、定义：入射在受照物体单位面积上的光通量。定义：入射在受照物体单位面积上的光通量。2、意义：描述受照物体被照明的程度。意义：描述受照物体被照明的程度。3、单位：勒克斯单位：勒克斯4、点光源的照度：辐透：辐透：照度计一些实际情况下光照度近似值（lx)晴朗的夏日采光良好的室内照度100500夏天太阳不直接照到的露天地面照度：100010000正午露天地面照度100000工作场所必须照度：20100满月夜空在地面的照度：0.2无月夜空光在地面的照度：3/100005、光亮度：光源单位面积上的发光强度（光源在指光源单位面积上的发光强度（光源在指定方向单位面积上的发光能力，定方向单位面积上的发光能力，2828单位为：坎德拉每平方米（单位为：坎德拉每平方米（cd/mcd/m 2 2 ）如果平面法线与观察方向成如果平面法线与观察方向成角角上式为上式为 由 可得 292929式可以看作是亮度的较通用的定义式，有这个式式可以看作是亮度的较通用的定义式，有这个式子可以进一步把亮度的概念引申。亮度不仅可以用来子可以进一步把亮度的概念引申。亮度不仅可以用来描述一个发光面，还可以用来描述光路中的任意一个描述一个发光面，还可以用来描述光路中的任意一个截面，如一个透镜的有效面积或一个光阑所截的面积。截面，如一个透镜的有效面积或一个光阑所截的面积。还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面积和这束光的束所包含的光通量除以这束光的横截面积和这束光的立体角立体角。一些实际光源的光亮度近似值（cd/m2)地球大气层外看太阳 190 x107地面上看到太阳 150 x107钨丝白炽灯 5001500 x104煤油灯 1.5x104 距太阳为750度角的明朗天空 0.15x104阳光照明的洁净雪面 3x104无月的夜空 10-41mW氦氖激光器 16x107与人眼的最小灵敏阈值对应的物体 10-6附：CIE中间视觉系统the intermediate sysytemCIE2010年发布：CIE191:2010技术报告 本报告研究过渡光度视场下的视觉实践，主要目标是建立过渡光谱灵敏度函数，以作为过渡光度系统的基础。对夜间前后驾驶的典型视场条件范围和视觉状况做了评价。以新的、独立的数据对现有的基于过渡光度系统的视觉特性做了检测与评价，测试与分析的结果被推荐为基于视觉特性的过渡光度学系统。报告论述了被推荐系统的合理性并给出了应用的一般指导方针。CIE中间视觉系统the intermediate sysytem中间视觉的亮度范围：0.005-5 cd/m2光谱光效率函数：M(m2)Vmes()=m2V()+(1-m2)V()n n例题例题光度学光度学P67n n一个面积为一个面积为一个面积为一个面积为s s的均匀发光面在某一方向的亮度为，的均匀发光面在某一方向的亮度为，的均匀发光面在某一方向的亮度为，的均匀发光面在某一方向的亮度为，n n它在这个方向的发光强度应为：它在这个方向的发光强度应为：它在这个方向的发光强度应为：它在这个方向的发光强度应为：n n 为发光面法线与指定方向夹角。为发光面法线与指定方向夹角。为发光面法线与指定方向夹角。为发光面法线与指定方向夹角。n n若亮度与方向无关：若亮度与方向无关：若亮度与方向无关：若亮度与方向无关：常数常数常数常数n n则则则则n n 为法线方向的发光强度为法线方向的发光强度为法线方向的发光强度为法线方向的发光强度n n则则则则 方向的方向的发光强度为方向的方向的发光强度为方向的方向的发光强度为方向的方向的发光强度为n n此即朗伯定律此即朗伯定律此即朗伯定律此即朗伯定律n n这样的发光面称朗伯体、（均匀漫射体）。这样的发光面称朗伯体、（均匀漫射体）。这样的发光面称朗伯体、（均匀漫射体）。这样的发光面称朗伯体、（均匀漫射体）。（6）例题：）例题：计算如图所示的均匀余弦发射圆盘在轴上一点产计算如图所示的均匀余弦发射圆盘在轴上一点产生的垂直照度，设盘的半径为生的垂直照度，设盘的半径为R R，亮度为，亮度为B B。解：解：由：讨论：讨论：当当 时，时，圆盘变成点电光源圆盘变成点电光源 此时，此时，照度照度照度照度遵从平方反比率遵从平方反比率遵从平方反比率遵从平方反比率