辐射度学与光度学基本知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第三级,*,辐射度学,通过电磁光谱来处理辐射能的测量。,辐射度学主要研究频率为,3,10,11,310,16,Hz,的光辐射，对应于,0.011000,m,微米的波长。,波段范围包括红外、可见光、紫外线,。,1.2,辐射度学和光度学,Radiometry and Photometry,光度学,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,380,780nm,纳米。,波长,450nm,对应于蓝色，,540nm,对应于绿色，,659nm,对应于红色。,色度学不处理颜色的感知本身，而是研究各种波长的感知强度。例如，绿光比红光和蓝光亮。,辐射能量,在辐射度学中，辐射能量,Q,是基本的能量单位，用,J(,焦耳,),来度量。,每个光子有一定的辐射能量，其大小为,Planck,常数,(6.62620,10,-34,焦耳秒,),乘以光速,(2.99810,8,米,/,秒,),，再除以光子的波长。,等价于每焦耳的光子数目为,5.03410,15,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,2.7710,9,个。,光通量密度,光源的,光通量,为每秒钟发射出的焦耳数,(,d,/,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。,一块区域的光通量密度与每秒钟光子从各个方向穿越该区域的速率成正比。理论上，我们可以让面积任意小，这样我们可以度量一个点的光通量密度：,如果光通量在一区域是均匀的，则可简化为,u,=,/,A,。,光通量密度的别名,光通量密度,(radiant flux),在特定的应用场合还有一些其它名字。,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,),。,立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，,2,角度覆盖整个单位圆。在三维空间，,4,的球面度立体角覆盖整个单位球面。,从一个球面上去处,1,球面度,立体角的圆锥,辐射亮度,(Radiance),在计算机图形学中，最重要的辐射度学单位为,辐射亮度,L,(,因为我们在象素中存贮的是辐射亮度,),，它为从某一方向到达给定点的光通量。,与辐照度和辐出度不同，辐射亮度既可以指到达表面的光通量，也可以指离开的光通量。,入射辐射亮度,入射辐射亮度,(incoming radiance),定义为：,它用来度量单位平方米单位球面度的瓦特数。其中,为入射光线与表面法向的夹角。,上述公式在通过对入射辐射亮度积分来计算表面某处的辐射亮度非常有用。,虽然我们通常对到达表面的辐射亮度感兴趣，但辐射亮度的值实际上是与表面无关的。与表面无关的辐射亮度公式为：,环境中的辐射亮度可看成是,5,个变量的函数,(,若包含波长，则为,6,个,),，称为,辐射亮度分布,(radiance distribution),。,3,个变量为位置，另,2,个变量为方向。则该函数描述了所有光线在空间的分布。,对于给定的一点，我们可把辐射亮度分布看成一整个场景的环境图，它表示了所有方向的入射辐射亮度。,生活中必须知道的问题,什么是光亮度？举个例子说明,发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比。符号是,L,，单位是坎德拉,/,平方米。,对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。例如：电视机的荧光屏,这个单位经常被用来表示,CRT,电视或等离子这样本身内部发光显示的器材。,100500cd/m2,光通量与辐射通量的区别,通常光通量指人眼所能感觉到的辐射能量，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。单位：流明,(lm),相对视见率（光视效率）：见图,1-3,，表,1-5,光强和光通量的关系：发光强度为,1,坎德拉的点光源在单位立体角（,1,球面度）内发出的光通量为,1lm,。,如果人眼对不同颜色的单色光要得到相同视觉感，应怎么做？,光照度（,luminance,）：,受照平面上接受光通量的密度，可用照度计直接测量。光照度的符号是,E,，单位是勒克斯，是英文,lux,的音译，也可写为,lx,。,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：,0.0010.02,；月夜：,0.020.3,；,阴天室内：,550,；阴天室外：,50500,；,晴天室内：,1001000,；,夏季中午太阳光下的照度：约为,109,；,阅读书刊时所需的照度：,5060,；,家用摄像机标准照度：,1400,思考：如何测物体表面的反射率？,辐射度量与光度量,两类的辐射能强度,辐射度学量：,物理的,，是用能量单位描述光辐射能的客观物理量,光度学量：,生理的,，是描述光辐射能为平均,人眼,接受所引起的视,觉刺激大小的强度，即光度量是具有,标准人眼视觉特,性,的人眼所接收到辐射量的度量,用于衡量光电探测器的性能或评价光电测量系统的指标,辐射度的基本物理量,辐射能,Q,e,：,一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳,J,辐射通量,e,：,单位时间内通过一定面积,发射、传播或接受的能量，又称,辐射功率,P,e,，,是辐射能的时间变化率。单位：瓦,W,辐射强度,e,：,点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：,W/,Sr,2.1,辐射度的基本物理量,辐射照度,E,e,：,投射在单位面积上的辐射通量。单位：,W/m,2,辐射出射度,e,：,扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：,W/m,2,辐射亮度,e,：,辐射表面定向发射的辐射强度。单位：,W/m,2,Sr,光谱辐射通量,e,（,）,：,辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,名称,符号,定义方程,单位,符号,辐射能,Q,焦耳,J,辐射能密度,焦耳立方米,Jm,-3,辐射通量，,辐射功率,瓦特,W,辐射强度,瓦特球面度,Wsr,-1,辐射亮度,瓦特球面度平方米,Wm,-2,sr,-1,辐射出射度,瓦特平方米,Wm,-2,辐射照度,瓦特平方米,Wm,-2,光度量的最基本单位,发光强度,I,v,：,发出波长为,555nm,的单色辐射，在给定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,v,：,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,E,v,：,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,Q,e,，,e,，,I,e,，,M,e,，,E,e,光度量下标为,v,，,Q,v,，,v,，,I,v,，,L,v,，,M,v,，,E,v,光度量只在,可见光区,（,nm),才有意义,辐射度量和光度量都是,波长的函数,补充：光照度的测量,图,1,光照度的测量实验,单频光,I/U,转换放大电路,光功率的测量,图,2,光功率的测量实验,普通,光源,长波,中波,短波,