应用光学第五章辐射度学和光度学基础
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辐射度学与光度学基础
吸收系数通常用α表示，它在数值上等于光波强度因吸收而减弱 到１／ｅ时透过的物质厚度的倒数，它的单位用ｃｍ－１表示。 吸收系数与材料的特性有关，各种物质的吸收系数差别很大， 一般对可见光而言，金属的吸收系数为α≈１０６ｃｍ－１， 玻璃的吸收系数为α≈１０－２ｃｍ－１， 一个大气压下空气的吸收系数为α≈１０－５ｃｍ－１， 这就表示空气的吸收最小，玻璃次之，而金属的吸收较大， 故极薄的金属片就能够吸收掉入射的全部光能，因此金属一般并 不透明，而空气和玻璃则是透明的。 光学玻璃的光吸收系数分为六类，最小为０．００１，最大为 ０．０３，故多数无色透明光学玻璃对白光的平均吸收系数取均 值，即α≈０．０１５ｃｍ－１，而１－α则表示透明系数。
光在透明介质中传播所产生的能量损失不仅与介质的吸收系数有 关，还与光学零件的厚度有关，一般来说光学零件越厚其能量吸
收也就越多，损失也就越大。若系统中所使用材料的吸收系数相
同，且所有元件中心厚度之和为ｄ（单位为ｃｍ），考虑到介质 吸收而造成的能量损失，其透过的光通量为
d (1 )
上述计算与比较表明，在照明系统中加入聚光镜后，可使被照明 平面上的照度得到显著提高（本例照度增强近40倍），因而体现 了照明系统中聚光镜的重要作用。
余弦辐射体
6.7光学系统中光通量与光亮度的传递
1、在介绍光度学基本概念的基础上，研究光学系统中光能的传递
与变化规律。 2、光学系统可以视为光能的传递系统，我们除关心最终像面处
（或接收器处）的光能情况外，还常常关心光学系统中间过程光
能的传递规律。 3、光能在光学系统中的传递与变化规律，可以通过两个量来表征，
即光通量与光亮度。
4、光通量的传递规律比较简单。如果不存在传递过程中的拦光、 吸收、反射等损失，则由能量守恒定律可知，从系统出射的光
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
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
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。
应用光学(第五章)
二、光出射度和光照度
用光出射度M来表示A点处的发光强弱 指发光表面单位面积内所发出的光通量，它 与辐（射）出射度相对应
当发光表面均匀发光时，其光出射度为 S 反之，当某一表面被发光体照明，用光照度E 来表示被照明表面A处的照明强弱 d E dS 在均匀照明情况下
d M dS
光度学中的基本量
一、发光强度和光通量 发光强度是光度学中最基本量之一，与辐射度学中 的辐射强度相对应。 辐射体的辐射波长为λ 的单色光，在眼睛观察的方 向上的辐射强度为Ie，眼瞳孔对辐射体所张的立体角 为dΩ ，则眼睛接受到的辐射通量为
de I e d
眼睛的视觉强度与辐射通量dΦ e和视见函数V(λ )成 d C V ( ) de 正比 这就表示该辐射所产生的视觉强度（ dΦ ）。
视见函数 • 把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准，其它色 光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得 出各种色光的相对视觉灵敏度，称为视见函数 ，用V(λ)表示。 把人眼最灵敏波长（λ=555nm）的视见函数规定 为1，即V(555)=1 V(λ)≤1 不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别
M
E
S
光照度表示被照明的表面单位面积上
所接收的光通量。 它与辐射度学中的辐（射）照度相对 应。 它们的单位为勒克斯（lx）。 1lx等于1m2面积上发出或接收1lm的 光能量，即： 2
1lx 1lm / m
三、光亮度
前面所讲的概念并不能表
I N
dΩ α O
示发光面不同方向的发光 特性。 用光亮度来表示发光表面 不同位置和不同方向的发 光特性。 在该方向上单位投影面积 的发光强度。 I I
光度学基础
光 通 量 损 失 ：F＝（1 ）F0
19
d1
d2
dA1
dA2
r
dF1
L1
cosq1dA1d1
L1
cosq1dA1
dA2
cosq2
r2
dF 2
L2
cos q 2 dA2 d 2
L2
cosq2dA2
dA1
cosq1
r2
dF1 dF 2
L1 L2
结论 光在元光管内传播，光束亮度不变
光度学基础
12
四、光束经界面反射和折射后的亮度
dF Lcosi d dA
L sin2 U＝
n' 2 n2
L sin2 U
( dA 1
dA' 2
＝ y' ＝ n sinU )
y n' sinU'
16
二、轴外像点的光照度
出瞳
EM'
n' 2 n2
L
sin
2
U
' M
D’
w’ w’
光度学基础
M’
像面 U’
A’
当UM’ 较小时：
l0’
sinU
' M
tgU
'＝
M
D' 2
cos w'
5
二、光学量
光度学基础
1、光通量Fv
流 [明]（lm）
标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。
2、光出射度Mv
流 [明]每平方米（lm/m2）
光源单位发光面积发出的光通量——光源的光出
射度
Mv
dF v dA
3、光照度Ev 勒 [克斯]（lx） 1lx＝1lm/m2
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
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
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
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
1.辐射学和光度量学基本概念
,单位为W/sr(瓦/球面度)。
辐[射]亮度(或称辐射度) Le 对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置
在不同方向上的辐射特性。
一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向θ上有 一面元dA。若dA所对应的立体角dΩ内的辐通量为dΦe ，
则面源在此方向上的辐亮度为:
式中是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在
壳层容纳一定数量的电子。每个电子具有确定的分立能量值， 也就是电子按能级分布。 固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距很小，以致 使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。最外面的电子壳 层交叠最多，内层交叠较少，如图1-5 所示。壳层的交叠使 外层的电子不再局限于某个原子上，它可能转移到相邻原子 的相似壳层上去，例如电子可以从某个原子的2P壳层转移到 相邻原子的2P壳层，也可能从相邻原子运动到更远的原子的 相近壳层上去。这样电子有可能在整个晶体中运动。晶体中 电子的这种运动称为电子的共有化。外层电子的共有化较为 显著，而内壳层因交叠少而共有化不十分显著。 电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微小的差 异。例如，组成固体的N个原子在某一能级上的电子来都具 有相同的能量，由于共有化运动使它们在固体中不仅仅受本 身原子核的作用，而且还受到周围其它原子的作用而具有各 自不同的能量。于是，一个电子能级因受N个原子核的作用 而分裂成N个新的靠得很近的能级。N新能级之间能量差异 极小，而N值很大，于是这N个能级几乎连成一片而形成具 有一定宽度的能带。
其它基本概念 ▪ 点源：照度与距离之间的平方反比定律 ▪ 扩展源：朗伯源的辐出度与辐亮度间的关系 ▪ 漫反射面：漫反射体的视亮度与照度间的关系 ▪ 定向辐射体
d
dA cos
l2
辐[射]亮度(或称辐射度) Le 对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置
在不同方向上的辐射特性。
一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向θ上有 一面元dA。若dA所对应的立体角dΩ内的辐通量为dΦe ，
则面源在此方向上的辐亮度为:
式中是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在
壳层容纳一定数量的电子。每个电子具有确定的分立能量值， 也就是电子按能级分布。 固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距很小，以致 使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。最外面的电子壳 层交叠最多，内层交叠较少，如图1-5 所示。壳层的交叠使 外层的电子不再局限于某个原子上，它可能转移到相邻原子 的相似壳层上去，例如电子可以从某个原子的2P壳层转移到 相邻原子的2P壳层，也可能从相邻原子运动到更远的原子的 相近壳层上去。这样电子有可能在整个晶体中运动。晶体中 电子的这种运动称为电子的共有化。外层电子的共有化较为 显著，而内壳层因交叠少而共有化不十分显著。 电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微小的差 异。例如，组成固体的N个原子在某一能级上的电子来都具 有相同的能量，由于共有化运动使它们在固体中不仅仅受本 身原子核的作用，而且还受到周围其它原子的作用而具有各 自不同的能量。于是，一个电子能级因受N个原子核的作用 而分裂成N个新的靠得很近的能级。N新能级之间能量差异 极小，而N值很大，于是这N个能级几乎连成一片而形成具 有一定宽度的能带。
其它基本概念 ▪ 点源：照度与距离之间的平方反比定律 ▪ 扩展源：朗伯源的辐出度与辐亮度间的关系 ▪ 漫反射面：漫反射体的视亮度与照度间的关系 ▪ 定向辐射体
d
dA cos
l2
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。
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。
第五章辐射度学光度学
M= ρE，ρ为透射率或反射率，与波长有关，因而物体呈现彩
色 。 对所有波长ρ趋于0的物体，黑体
光亮度－发光表面不同位置和不同方向的发 光特性
• 假定在发光面上A点周围取一个微小面积ds,某一方向上的
发光强度为I，且ds在垂直于AO方向上的投影面积为dsn
• L＝I/dsn=I/（ds·cosθ） ,L代表发光面上A点处在AO方向
折射情形
dA位于n1介质内。入射光束的光亮度L1，在O点 附近取一微元dA，则过dA输出的光通量：
dΦ1 = L1dA cos I1dΩ1 = L1dA cos I1 sin I1dI1dϕ
dA看作位于n2介质内。 dA输出的光通量：
dΦ2 = L2dA cos I2dΩ2
= L2dA cos I2 sin I2dI2dϕ
辐射能 辐射通量 辐射强度 辐出射度 辐照度 辐亮度
U
Φe
Ie
Me
Ee
Le
光能量 光通量 发光强度 光出射度 光照度 光亮度
Q
Φ
I
M
E
L
辐射量和光学量的对应关系
3.视见函数
人眼是一种可见光探测器
• 输入：用辐射度量表示的可见光辐射 • 输出：用光学量表示的光感受
人眼视觉的强弱：
• 辐射在该方向上的辐射强度 • 辐射的波长
量， Km ＝683流明/瓦，是光通量与功率的转换当量
发光效率（光视效能）
• η＝光源的光通量/该光源的耗电功率，表示发光体 的发光特性
• 流明/瓦，辐射体每消耗1瓦电功率所发出的光通量 例：100瓦钨丝灯，光通量为1500流明，则η＝15lm/w
40瓦荧光灯，光通量为2000流明，则η＝50lm/w
色 。 对所有波长ρ趋于0的物体，黑体
光亮度－发光表面不同位置和不同方向的发 光特性
• 假定在发光面上A点周围取一个微小面积ds,某一方向上的
发光强度为I，且ds在垂直于AO方向上的投影面积为dsn
• L＝I/dsn=I/（ds·cosθ） ,L代表发光面上A点处在AO方向
折射情形
dA位于n1介质内。入射光束的光亮度L1，在O点 附近取一微元dA，则过dA输出的光通量：
dΦ1 = L1dA cos I1dΩ1 = L1dA cos I1 sin I1dI1dϕ
dA看作位于n2介质内。 dA输出的光通量：
dΦ2 = L2dA cos I2dΩ2
= L2dA cos I2 sin I2dI2dϕ
辐射能 辐射通量 辐射强度 辐出射度 辐照度 辐亮度
U
Φe
Ie
Me
Ee
Le
光能量 光通量 发光强度 光出射度 光照度 光亮度
Q
Φ
I
M
E
L
辐射量和光学量的对应关系
3.视见函数
人眼是一种可见光探测器
• 输入：用辐射度量表示的可见光辐射 • 输出：用光学量表示的光感受
人眼视觉的强弱：
• 辐射在该方向上的辐射强度 • 辐射的波长
量， Km ＝683流明/瓦，是光通量与功率的转换当量
发光效率（光视效能）
• η＝光源的光通量/该光源的耗电功率，表示发光体 的发光特性
• 流明/瓦，辐射体每消耗1瓦电功率所发出的光通量 例：100瓦钨丝灯，光通量为1500流明，则η＝15lm/w
40瓦荧光灯，光通量为2000流明，则η＝50lm/w
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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Co A
n
st
朗伯源的光亮度Lθ与方向无关，只是I随θ变化而变化
26
余弦辐射体发光微面发出的光通量
0 Id
LdsiA 2n u u 2 Ld A
两面发光：
2LdA
27
➢光学系统中光束的光亮度
•均匀透明介质情形
假定A1A2直线为均匀透明介质中的一条光线 讨论：直线上任意两点A1和A2在光线前进方向上的L1和L2之间的
I' 246 1.26104cd
' 0.0195
I 246292cd
0.845
灯泡发出的总光通量： 4I4 29 22W 45
灯泡的功率：
e
367024W 5
K 15
灯泡的位置：
h 75
l
13m0m
tgu 0.578
20
➢光传播过程中光学量的变化规律
21
22
23
24
➢朗伯余弦定律及朗伯源
2
辐射度量
5
• 辐射强度
定义：辐射通量与立体角的比值，表示辐射体在不同方向上的辐射 特性（单位：W/sr）
Ie
d e d
dΦe dΩ
6
• 辐射出射度、辐射照度 （单位：W/m2）
定义：辐射通量与A点处微面的比值，表示辐射体表面上任意一点A处的 辐射强弱
dΦ
Me
de dS
Ee
de dS
A ds
问题：辐射体A辐射波长为600nm，辐射体B辐射波长为500nm，欲使 两者对人眼产生相同的视觉强度，两者的辐射强度应该怎样？
9
明视觉与暗视觉函数
10
11
光度量
12
13
例：一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气 灯泡，假定它在各个方向上均匀发光， 求它的发光强度。 解：取光效视能为15lm/W,则总光通量： Φ＝KΦe=15×60＝900lm 发光强度为 I＝Φ/Ώ= Φ/4π=71.62cd
辐射度学和光度学基础
1
➢问题提出
•光具有能量 如激光焊接，激光致盲，太阳能热水器
•光学系统是能量传输系统 •前面几章研究了光学系统的成像问题，只是研究了能量的传播 方向，本章解决能量的测量、计量和计算问题 •研究电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为“辐射度学” •研究可见光的测试、计量和计算的学科称为“光度学” •可见光可用辐射量和光学量两种量值系统来度量 •描述电磁辐射的物理量为辐射量 •可见光是波长在400nm-760nm范围内的电磁辐射，是能对人的 视觉形成刺激，并被能被人感受到的电磁辐射，按视觉响应原 则建立的表征可见光的量为光学量
若不考虑光能损失
d1d2
L1 L2
结论：光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播 中的任一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的29亮
▪ 折射情形
dA位于n1介质内。入射光束的 光亮度L1，在o点附近取一微元 dA，则过dA输出的光通量：
d 1 L 1 d cI A 1 d o 1 L 1 s d cI A 1 s o I 1 d i1 d s n I
dΦ′
A ds′
7
• 辐射亮度（单位：W/(sr·m2）
定义：辐射强度与A点处微面投影面积的比值，表示辐射体表面上不同位 置和方向上的辐射特性
Le
Ie dS n
dn SdS•cos
8
视见函数
表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别 人眼视觉系统决定的 明视觉视见函数，暗视觉视见函数 规定V（555）＝1，555nm人眼最灵敏的波长 V（ λ ）＝I(555)/ I（ λ ）
18
例：如下照明器，在15m远的地方照明直径为2.5m的圆面积，要求达到 平均照度为50lx，聚光镜的焦距为150mm，通光直径也等于150mm， 试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。
解：均匀照明下：
E S 5 0 (1 .2)2 5 2l4m 6
余弦辐射体
发光强度空间分布可用 式Iθ＝INcosθ表示的的 发光表面
只有绝对黑体是理想的 余弦辐射体，具有粗糙 表面的发光体与余弦发 光体接近。
LIN I
dS dS•cos
25
对朗伯源，发光强度向量Iθ 端点轨迹是一个与发光面相 切的球面
余弦辐射体在和法线成任意 角度方向的光亮度
Ldc IA o sd Inc c Ao o s sd In
dA看作位于n2介质内。 dA输出 的光通量：
d 2 L 2 d cI A 2 d o 2 L 2 s d cI A 2 s o I 2 d i2 s d n I
17
例： He-Ne激光器：Pλ＝10mw, λ=632.8nm, Vλ=0.24,
d=1mm,θ=1mSr(毫弧度)，求L dΦ=683VλdΦe=683×0.24×10×10-3=1.6152流明 d Ω=πθ2=3.14× (10-3)2 L=dΦ/（ds·dΩ)=6.553×107st L太阳＝1.5×105st LHe-Ne=440L太阳 “勿对着眼睛照射” “激光致盲武器”
14
15
16
▪ 光亮度－发光表面不同位置和不同方向＝I/dsn=dΦ/（ds·cosθ·dΩ） 发光面上单位投影面积在单
位立体角内发出的光通量 单位：坎德拉/米2, cd/m2，
熙提（st）, 1st = 1cd/cm2
人们常说40w日光灯比40w钨丝灯亮，是否说明日光灯的光 亮度比钨丝灯大？这里所说的“亮”是指什么？ 物体的光亮度就 是人眼感到的明亮程度，这种说法对吗？
关系
A1
A2
28
dS1输入到dS2内的光通量为dΦ1
d 1 L 1 co 1 d1 s d S 1 L 1 co 1 d1 s d S 2 l c 2 So 2 s
从dS2射出的dΦ2 d 2 L 2 co 2 ds 2 d S 2 L 2 co 2 ds 2d S 1 l c 2 So 1 s
照明范围对应的光锥角u‘为：
tg(u')1.250.0750.0783 15
u'4.50
根据理想光学系统中光路计算公式：
n'
n'tgu'ntguh
19
f'
有： u300
对应的立体角为： '4sin2u' 4sin2(2.250)0.019s5r
2
4sin2 u4sin2(150)0.84s5r
2 照明空间的平均发光强度和灯泡的发光强度为分别：