第一章 輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)

1、第第1章章 輻射度量、光輻輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)射度量基礎(chǔ)第第1章、輻射度量、光輻射章、輻射度量、光輻射度量基礎(chǔ)度量基礎(chǔ)n1.1 1.1 輻射度量輻射度量n1.2 1.2 光度量光度量n1.3 1.3 人眼視覺特性人眼視覺特性n1.41.4 朗伯輻射體及其輻射特性朗伯輻射體及其輻射特性n1.5 1.5 幾種典型光輻射量的計算公式幾種典型光輻射量的計算公式1.1 輻射度量輻射度量1.1.11.1.1、立體角、立體角: :（） 立體角立體角是描述輻射能向空間發(fā)射、傳播或被某一表是描述輻射能向空間發(fā)射、傳播或被某一表面接收時的發(fā)散或會聚的角度。面接收時的發(fā)散或會聚的角度。定義：以錐體的基點為球心做

2、一球表面，錐體在球表面上定義：以錐體的基點為球心做一球表面，錐體在球表面上所截取部分的表面積所截取部分的表面積dSdS和球半徑和球半徑r r平方之比平方之比定義式定義式: :=S/r=S/r2 2單位單位: :球面度球面度(Sr)(Sr)整個球面度為整個球面度為: :=S/r=S/r2 2=4=4半個球面度為半個球面度為: :=S/r=S/r2 2=2=21.1 輻射度量輻射度量n1.1.2 1.1.2 輻射度量的名稱、定義、符號及單位輻射度量的名稱、定義、符號及單位（GB 3102.6-1982)GB 3102.6-1982)1 1、輻射能：、輻射能：(Radiant energy)(Rad

3、iant energy) 定義：輻射能簡稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)定義：輻射能簡稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位焦耳（）。射、傳播或接收的能量，單位焦耳（）。 當(dāng)描述輻射能量在一段時間內(nèi)積累時，用當(dāng)描述輻射能量在一段時間內(nèi)積累時，用輻能來表示。輻能來表示。2 2、輻能密度（、輻能密度（w） 輻能密度定義為單位體積元內(nèi)的輻射能，輻能密度定義為單位體積元內(nèi)的輻射能，即即w=dQ/dvw=dQ/dv3.3.輻射通量：輻射通量：( (,P)(Radiant flux),P)(Radiant flux) 又稱又稱: :輻射功率輻射功率 PePe（Radiant power)Radia

4、nt power) 定義定義: :以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的功率，以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的功率，用以描述輻能的時間特性。實際應(yīng)用中，對于連用以描述輻能的時間特性。實際應(yīng)用中，對于連續(xù)輻射體或接收體，以單位時間內(nèi)的輻射能，即續(xù)輻射體或接收體，以單位時間內(nèi)的輻射能，即輻射通量表示。輻射通量表示。 定義式定義式: : 均勻輻射均勻輻射: : 單位單位: :瓦特瓦特( () )或焦耳或焦耳/ /秒秒(J/S(J/S） =1J/S=1J/SeedQdteeQt4 4、輻射強度（、輻射強度（I I） 定義：在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光定義：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。源

5、發(fā)出的輻射通量。、定義式、定義式: : 均勻輻射均勻輻射: :、單位、單位: :瓦瓦/ /球面度（球面度（W/SrW/Sr）、均勻點輻射源（各向同性）、均勻點輻射源（各向同性）I Ie e不隨方向變而不隨方向變而變，故整個球面的輻射通量為：變，故整個球面的輻射通量為： e eI Ie e4 4I Ie eeIeddeIe5 5、輻亮度、輻亮度: :（) ) (Radiance)(Radiance)1.1.定義定義: :光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積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。沿單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量。沿r r方向的輻射方向的輻射強度強度I Ie e

6、與面元與面元dA(dA(在垂直于在垂直于r r方向平面正投影面積方向平面正投影面積dA)dA)的比值稱為的比值稱為dAdA沿沿r r方向的輻射亮度。方向的輻射亮度。2.2.定義式定義式: :3.3.單位單位:w/(m:w/(m2 2Sr)Sr)coscoseeeedIdIdLdAdSdAd6 6、輻射出射度、輻射出射度: :（M M） (Radiant exitance)(Radiant exitance)1.1.定義定義: :輻射體單位元表面所輻射的通量輻射體單位元表面所輻射的通量2.2.定義式定義式: : 均勻輻射均勻輻射: :3.3.單位單位:w/m:w/m2 2eM eddAeMeAn

7、輻射照度輻射照度:Ee(Irradiance):Ee(Irradiance). .定義定義: :被輻射的單位元表面里入射或獲得的輻被輻射的單位元表面里入射或獲得的輻 射通量的多少射通量的多少. .定義式定義式: : 均勻輻射均勻輻射: :. .單位單位:w/m:w/m2 2eEeddAe EeAn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區(qū)別：輻射出射度與輻射照度的表達式和單位完全相同輻射出射度與輻射照度的表達式和單位完全相同區(qū)別在于區(qū)別在于:M:Me e描寫面輻射源向外發(fā)射的輻射特性描寫面輻射源向外發(fā)射的輻射特性(a)(a) E Ee e描寫輻射接受面所接受的輻射特性描寫輻射接受面所

8、接受的輻射特性(b)(b) 1.2 光度量光度量光度學(xué)中以光強的單位光度學(xué)中以光強的單位“坎德拉坎德拉”作為基本單位，作為基本單位，其他光度量的單位作為導(dǎo)出單位其他光度量的單位作為導(dǎo)出單位n光通量光通量v v(luminous flux)(luminous flux)1.1.定義：光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量的多少定義：光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量的多少2.2.公式：公式：v=dQv/dtv=dQv/dt3.3.單位：單位：lmlm（流明）（流明）n光強光強I Iv v(luminous Intensity)(luminous Intensity)1.1.坎德拉坎德拉(cd)(cd)的最新規(guī)定：即

9、一個燭光，它是光源的最新規(guī)定：即一個燭光，它是光源發(fā)出頻率為發(fā)出頻率為54054010101212HzHz的單色輻射，在給定方向的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為上的輻射強度為1/683w/Sr1/683w/Sr時，其光強為坎（時，其光強為坎（cd)cd)2.2.光強定義光強定義: :光源在指定方向上通過單位立體角內(nèi)光源在指定方向上通過單位立體角內(nèi) 的光通量的多少的光通量的多少3.3.光強公式光強公式: :v=dv=dv/dv/d 發(fā)光均勻分布發(fā)光均勻分布: :v=v=v/v/4.4.單位單位:cd:cd（坎德拉）（坎德拉）Iwn光出射度光出射度M Mv v(Lminous exitance

10、)(Lminous exitance)1.1.定義：面光源單位元表面內(nèi)向外所發(fā)射的光通量定義：面光源單位元表面內(nèi)向外所發(fā)射的光通量2.2.公式：公式：M Mv v=d=dV V/d/d 發(fā)光均勻：發(fā)光均勻：M=M=v/v/3.3.單位：單位：lm/mlm/m2 2（流明（流明/ /平方米）平方米）n光照度光照度E Ev v(illuminance)(illuminance)1.1.定義定義: :被照物體單位元表面里入射或獲得的光通被照物體單位元表面里入射或獲得的光通 量的多少量的多少2.2.公式：公式：Ev=dEv=dv/dv/d 光通量分布均勻：光通量分布均勻：Ev=Ev=v/v/3.3.單

11、位單位:lx:lx（勒克斯（勒克斯) )照照度度流明面積(m2)n光亮度光亮度L Lv v(luminance)(luminance)1.1.定義定義: :面光源在給定方向上，單位正投影面積的面光源在給定方向上，單位正投影面積的 發(fā)光強度發(fā)光強度2.2.公式公式: : 光通量分布均勻：光通量分布均勻：3.3.單位單位:cd/m:cd/m2 2( (坎德拉坎德拉/ /平方米平方米) )coscosdIdIdLdAdSdAdcoscosIIELASAn光效光效1.1.定義定義: :面光源發(fā)出的總光通量與它所消耗的電功面光源發(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)光效率率之比稱為光源的發(fā)光

12、效率2.2.公式公式: := =v/Pv/P電電3.3.單位單位:lm/w:lm/w4.4.對于白熾燈對于白熾燈: : 直流供電氣體放電燈：直流供電氣體放電燈：P P電電= =U U燈燈I I燈燈 交流供電氣體放電燈：交流供電氣體放電燈：P P電電=U=U燈燈I I燈燈coscos5.5.常見幾種燈的發(fā)光效率：常見幾種燈的發(fā)光效率：白熾燈：白熾燈：8-17lm/w 8-17lm/w 金屬鹵化物燈：金屬鹵化物燈：45-60lm/w45-60lm/w日光燈：日光燈：30-60lm/w 30-60lm/w 高壓鈉燈：高壓鈉燈：100-150lm/w100-150lm/w低壓鈉燈：低壓鈉燈：180-2

13、00lm/w180-200lm/wn光譜密集度：光譜密集度：. .定義：包含該波長的無窮小波長間隔內(nèi)的輻射定義：包含該波長的無窮小波長間隔內(nèi)的輻射 通量與相應(yīng)波長間隔之商稱為光譜密集度通量與相應(yīng)波長間隔之商稱為光譜密集度. .公式：公式： 注注:X:Xe e代表任何一個輻射量代表任何一個輻射量e.g:e.g:光譜輻射通量為光譜輻射通量為: : 指的是單位波長間隔內(nèi)向外輻射通量的多少指的是單位波長間隔內(nèi)向外輻射通量的多少 ()exedXd()eedd1.3 人眼視覺人眼視覺眼睛的特性：眼睛的特性： 錐體細胞的感光靈敏度低，在錐體細胞的感光靈敏度低，在cd/mcd/m2 2的亮度條件下作用，的亮度

14、條件下作用，能分辨物體的顏色和細節(jié)稱之為錐體視覺又稱明視覺能分辨物體的顏色和細節(jié)稱之為錐體視覺又稱明視覺（hotopic Vision)hotopic Vision) 桿體細胞只能在黑暗的環(huán)境下（桿體細胞只能在黑暗的環(huán)境下（L=3L=31010-5 -5 cd/mcd/m2 2以下以下) )作作用，稱之為暗視覺（用，稱之為暗視覺（Scotopic Vision)Scotopic Vision) 介于這兩視覺之間的視覺稱之為中間視覺介于這兩視覺之間的視覺稱之為中間視覺 （正常人眼睛對黃綠光最靈敏，對紅光和紫光最不靈敏）（正常人眼睛對黃綠光最靈敏，對紅光和紫光最不靈敏）光譜光視函數(shù)曲線光譜光視函數(shù)

15、曲線: :1.1.光譜光視效率光譜光視效率V V( ():):設(shè)引起相同視覺的波長和波設(shè)引起相同視覺的波長和波長為長為555nm555nm的輻射通量分別為的輻射通量分別為和和555555則視覺則視覺函為函為:V:V( () )= =555555/ /是個無量綱的物理量是個無量綱的物理量. .物理意義物理意義:V:V( () )反映人眼對各種不同波長光的視反映人眼對各種不同波長光的視 覺靈敏度將覺靈敏度將555nm555nm所對應(yīng)的黃綠光波長的光譜所對應(yīng)的黃綠光波長的光譜光視效率值定為，為最大值；紅光和紫光的光光視效率值定為，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譜光

16、視效率值最??；紅外和紫外光的光譜光視效率值為率值為. .由圖看出：由圖看出：明視覺條件下明視覺條件下V V( () )所對應(yīng)的峰值波長為所對應(yīng)的峰值波長為555nm555nm，暗視覺條件下暗視覺條件下V V( () )所對應(yīng)的峰值波長為所對應(yīng)的峰值波長為507nm.507nm.暗視覺暗視覺明視覺明視覺光度量與輻射量的關(guān)系光度量與輻射量的關(guān)系: :研究表明：明視覺條件：研究表明：明視覺條件： 暗視覺條件：暗視覺條件：K Km m：最大光譜光效能（單位：最大光譜光效能（單位：lm/w)lm/w)即發(fā)光效率的即發(fā)光效率的 極限值極限值 780V()()380XmeKXVd780V()()380Xme

17、KXVd 明視覺條件：明視覺條件：K Km m=683lm/w =683lm/w 暗視覺條件：暗視覺條件：K Km m=1725lm/w=1725lm/w 故光通量與輻射通量的關(guān)系：故光通量與輻射通量的關(guān)系： 780V()()380683eVd1.41.4光源的顏色與色溫光源的顏色與色溫n光源的顏色：（色表和顯色性）光源的顏色：（色表和顯色性）1.1.光源的色表光源的色表: : 光源發(fā)光時，人眼直接看光源時光源所呈現(xiàn)的光源發(fā)光時，人眼直接看光源時光源所呈現(xiàn)的 顏色顏色2.2.光源的顯色性光源的顯色性: : 某光源與標準光源分別照射同一物體時某光源與標準光源分別照射同一物體時, ,人眼所人眼所產(chǎn)

18、生的顏色類別用顯色指數(shù)來定量描述產(chǎn)生的顏色類別用顯色指數(shù)來定量描述CIE 計算計算CRI值的色板值的色板顯色指數(shù)顯色指數(shù)顯色指數(shù)：用數(shù)字來表達演色能力顯色指數(shù)：用數(shù)字來表達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顯色性n幾種燈的顏色特性：幾種燈的顏色特性：1.1.高壓汞燈高壓汞燈: :色表色表，顯色性，顯色性2.2.白熾燈白熾燈: :色表色表，顯色性，顯色性3.3.鈉燈鈉燈: :色表和顯色性色表和顯色性 被照物體顏色會失真被照物體顏色會失真結(jié)論結(jié)論: : 自身發(fā)光的物體顏色由光譜功率分布自身發(fā)光的物體顏色由光譜功率分布決定。決定。 本身不發(fā)光的物體顏色取決于光譜

19、功本身不發(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。率分布和物體的發(fā)射特性或透射特性。色溫與相關(guān)色溫色溫與相關(guān)色溫: :. .色溫色溫:T:Tc c(colour temperature)(colour temperature) 待測輻射源在溫度待測輻射源在溫度T T時所呈現(xiàn)的顏色與某一溫度時所呈現(xiàn)的顏色與某一溫度T Tc c時的黑體顏色相同時的黑體顏色相同( (色品相同色品相同) )則稱則稱T Tc c為該輻射體為該輻射體光源的顏色與色溫的色溫度。簡稱色溫光源的顏色與色溫的色溫度。簡稱色溫T Tc c( (單位單位: :) )各光源的色溫各光源的色溫. .相關(guān)色溫：相關(guān)色溫：

20、在均勻色品圖中黑體軌跡上與待測輻射體色品最接在均勻色品圖中黑體軌跡上與待測輻射體色品最接近的色溫度稱之為相關(guān)色溫用表示（單位：）近的色溫度稱之為相關(guān)色溫用表示（單位：） u-v色度圖中黑體軌跡和等色溫線色度圖中黑體軌跡和等色溫線LM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)求的照度相適應(yīng). . 照度和光源色溫的關(guān)系. .光輻射測量中的定律與定則光輻射測量中的定律與定則n朗伯定律或理想漫射面的余弦定則朗伯定律或理想漫射面的余弦定則: :. .朗伯定律朗伯定律 在在方向上：方向上： 在法線方向上：在法線方向上：如果發(fā)光面或

21、漫射面的亮度不隨方向而改變，則有如果發(fā)光面或漫射面的亮度不隨方向而改變，則有: : 故故2.2.遵從朗伯定律的光源稱為朗伯光源遵從朗伯定律的光源稱為朗伯光源只有絕對黑體和理想漫反射體才是朗伯光源只有絕對黑體和理想漫反射體才是朗伯光源c o sILd A00ILd A00cosIILLdAdA0cosII3.3.朗伯光源的特性朗伯光源的特性單位面積上的光出射度為其亮度的單位面積上的光出射度為其亮度的 倍：倍：或或 當(dāng)二個元表面當(dāng)二個元表面dAdA1 1. .dAdA2 2亮度相等時亮度相等時, ,一元表面發(fā)射一元表面發(fā)射到另一元表面的光通量等于它自身獲得的光通量到另一元表面的光通量等于它自身獲得

22、的光通量即即/LMMLE：漫射系數(shù)122112122coscosLdddAdAl（傳播定律）n距離平方反比定律距離平方反比定律. .在在rdArdA方向上的光強為方向上的光強為: : 面積為面積為dAdA的照度的照度E E為為: : 而而 故故 垂直于光線傳播方向的被照元表面的照度與光強成垂直于光線傳播方向的被照元表面的照度與光強成正比，而與光源到被照元表面的距離平方成反比即正比，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為距離平方反比定律( (圖如下）圖如下）dIEddAdA2/ddA l 2/EI lSdArl/Idd. .當(dāng)被照元表面當(dāng)被照元表面dAdA到光源的距離由到光源的距離由r r1 1變到變到r r2 2時，時，則相應(yīng)