輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)

關(guān)于輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)3.0引言在研究光（輻射）的產(chǎn)生、傳輸和探測(cè)等光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)，需要對(duì)輻射量進(jìn)行度量和定量研究第2頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月3.0引言輻射度學(xué)是一門(mén)研究電磁輻射能測(cè)量的科學(xué)與技術(shù)，對(duì)整個(gè)電磁波譜范圍都適用；是建立在幾何光學(xué)基礎(chǔ)上是，輻射按直線傳播，輻射能是不相干的光度學(xué)只限于可見(jiàn)光范圍，是對(duì)光能定量研究的科學(xué)，包含人眼特性可見(jiàn)光可用輻射量和光度量?jī)煞N量值系統(tǒng)來(lái)度量第3頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月3.0引言在輻射度單位體系中，基本量是輻射能和輻射通量，是只與輻射客體有關(guān)的量，基本單位是J和W；適用于整個(gè)電磁波段光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其單位為cd（坎德拉）；只適用于可見(jiàn)光波段第4頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月3.1輻射度的基本物理量任一光輻射的能量都是輻射在它周?chē)囊欢臻g的，因此，在進(jìn)行有關(guān)光輻射的討論和計(jì)算時(shí)，也將是一個(gè)立體空間問(wèn)題在光輻射測(cè)量中，常用的幾何量就是立體角一個(gè)任意形狀的錐面所包含的空間稱(chēng)為立體角，符號(hào)Ω

單位:Sr(球面度或立體弧度)第5頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月立體角錐體的立體角定義為：以錐體的頂點(diǎn)為球心作球面，該錐體在球表面截取的面積與球半徑平方之比對(duì)于一個(gè)給定頂點(diǎn)O和一個(gè)隨意方向的微小面積dS，它們對(duì)應(yīng)的立體角為第6頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月立體角以O(shè)為球心，r為半徑做球面，若立體角Ω截出的球面部分面積為r2，則此球面部分對(duì)應(yīng)的立體角為_(kāi)______立體角整個(gè)球面的面積為4πr2，對(duì)于整個(gè)空間的立體角為第7頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月一、輻射能以電磁波形式發(fā)射、傳輸或接收的能量稱(chēng)為輻射能，用Qe表示，單位是J一個(gè)光子的輻射能輻射能密度：輻射場(chǎng)內(nèi)單位體積的輻射能第8頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月二、輻射通量指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收到的輻射能量，又稱(chēng)輻射功率，單位：W或J/s輻射通量以及由它派生出來(lái)的幾個(gè)輻射度學(xué)中的物理量，屬于基本物理量，都可以用專(zhuān)門(mén)的紅外輻射計(jì)在離開(kāi)輻射源一定的距離上進(jìn)行測(cè)量，所以其他輻射量都是由輻射通量定義的第9頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月三、輻射出射度反映物體輻射能力的物理量，定義為輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量輻出度描述了擴(kuò)展源輻射功率在源表面的分布特性第10頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月四、輻射強(qiáng)度指點(diǎn)輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量點(diǎn)輻射源（相對(duì)概念）：輻射源與觀測(cè)點(diǎn)之間距離大于輻射源最大尺寸10倍；否則稱(chēng)為擴(kuò)展源（有一定面積）輻射強(qiáng)度是描述點(diǎn)輻射源特性的輻射量第11頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月五、輻射亮度指面輻射源在給定方向上單位立體角、單位投影面積的輻射通量，是描述擴(kuò)展源表面不同位置沿空間不同方向的輻射功率分布特性第12頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月一般輻射體的輻射強(qiáng)度與空間方向有關(guān)。有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上分布滿(mǎn)足Ie0是面元dS沿其法線方向的輻射強(qiáng)度。符合上式規(guī)律的輻射體稱(chēng)為余弦輻射體或朗伯體朗伯體的輻射亮度為可見(jiàn)余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無(wú)關(guān)第13頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月六、輻射照度定義為受照物體表面的單位面積上接收到的輻射通量（功率）第14頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月七、單色輻射度量對(duì)于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過(guò)均定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)的輻射度量對(duì)所有輻射量X來(lái)說(shuō)，單色輻射度量與輻射度量之間均滿(mǎn)足第15頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月第16頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月以上介紹的幾個(gè)基本輻射量反映了輻射通量（功率）的幾何分布特性：表面密度分布和空間角分布任何輻射均有一定的波長(zhǎng)分布范圍：輻射的光譜特性?；据椛淞慷加袑?duì)應(yīng)的光譜輻射量光譜輻射量（略）第17頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月光度學(xué)的基本物理量很多光源用于照明，照明的效果最終是以人眼來(lái)評(píng)定的，因此照明光源的特性只用輻射能參數(shù)來(lái)描述是不夠的，必須用基于人眼視覺(jué)特性的光學(xué)參數(shù)來(lái)描述光度學(xué)量：是生理的，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺(jué)刺激大小的強(qiáng)度，即光度量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺(jué)特性的人眼所接收到的輻射量的度量第18頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月一、光能按人眼的感覺(jué)強(qiáng)度進(jìn)行度量的輻射能大小稱(chēng)為光能，它與輻射能的大小、人眼的視覺(jué)靈敏度成正比第19頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月二、光通量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某截面的光能稱(chēng)為通過(guò)這一面積的光通量，單位為流明（lm）40瓦的普通白熾燈泡，其發(fā)光效率大約是每瓦10流明，因此可以發(fā)出約400流明的光；40W的日光燈輸出的光通量大約是2100流明描述光源發(fā)光總量的大小的，與光功率等價(jià)。光源的光通量越大，則發(fā)出的光線越多人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光感覺(jué)不同，即使具有相同的光通量，產(chǎn)生的明亮程度也可能不同；由此決定了光通量與光通量的換算關(guān)系第20頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月三、發(fā)光強(qiáng)度點(diǎn)光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量稱(chēng)為發(fā)光強(qiáng)度Iv。發(fā)光強(qiáng)度是光度量中最基本的單位，公式為單位為坎德拉（cd），是國(guó)際單位制中7個(gè)基本單位之一1cd：光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/Sr第21頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月光視效能描述某一波長(zhǎng)的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量即光視效能Kλ定義為同一波長(zhǎng)下測(cè)得的光通量與輻射通量的比值。單位：流明/瓦特（lm/W）第22頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月光視效率通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在輻射頻率540×1012Hz（555nm）處，Kλ有最大值，其數(shù)值為683lm/W光視效率是Kλ用Km歸一化的結(jié)果第23頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月光譜光視效率國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)光的平均相對(duì)靈敏度，稱(chēng)之為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”光譜光視效率，或稱(chēng)為視見(jiàn)函數(shù)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光的刺激感受是不同的第24頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月輻射通量與光通量之間的關(guān)系某波長(zhǎng)的光通量光視效能多種波長(zhǎng)的輻射通量，對(duì)應(yīng)的光通量為第25頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月四、光出射度擴(kuò)展源單位面積向2π的半空間發(fā)出的光通量單位：lm/m2

（流明每平方米）第26頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月五、光亮度光源在給定方向上的光亮度Lv，是指在該方向上的單位投影面積上向單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量單位為cd/m2（熙提sb；1sb=104cd/m2）在給定方向上的光亮度也是該方向上單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度第27頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月部分光源的亮度值（cd/m2）第28頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月六、光照度被照物體表面上的單位面積接收到的光通量單位為勒克斯（lx）1lx=1lm/m2被光均勻照射的物體，距離光源1m處，在1m2面積上得到的光通量是1lm時(shí)，光源在該面積上的照度為1lx，習(xí)稱(chēng)“燭光米”第29頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月第30頁(yè),共33頁(yè)，星期六，2024年，5月第31