第二章辐射度光度基础
打印 第二章 光度与辐射度基础
MP
E E
P A P EP A
2 L A cos M A E A
34
I
——红外技术及应用
注:
1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差， “辐射”——“光”。 2. 下角标有e、λ、p、ν，辐射量在与其它量同用时 标e。 3. 从表达式可直接说出定义及物理意义 4. 从表达式可直接说出单位 5. 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注意 一个是发射，一个是接收。
面积为大球面积减去小球面积
2R 2 (cos 1 cos 2 ) 2 (cos 1 cos 2 ) 2 R
10
——红外技术及应用
3、用球坐标表示立体角
11
——红外技术及应用
3、用球坐标表示立体角 • 微小面积
dS r 2 sin d d
• 则dS对应的立体角为 • 计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可。
26
——红外技术及应用
光视效率:
K V Km
（物理意义： 以光视效能最大处的波长为基准来衡量其 波长处引起的视觉。） 在相同的辐射能量下，看到的亮度不同。 具体某个波长上的光视效率称为光谱光视效率： K ( ) V ( ) Km
27
——红外技术及应用
★几点说明：
• • • • 1.对于相同的辐射能量，光视效率不同。 2.“光视效率的最大值在λ=555nm处”是实验证明。 3.绝大部分人眼符合此规律，略有小差异（尤其在可见 光波段两端）。 4.通过这个结论，可知辐射量与光度量的换算关系
16
——红外技术及应用
2.辐射出射度：M
• 数学描述：若辐射源的微小面积△A向半球空间 的辐射功率为△Φ，则△Φ与△A之比的极限值定 义为辐射出射度. 单位：w/㎡ M lim
辐射度学与光度学基本知识
Radiometry and Photometry
辐射度学
• 通过电磁光谱来处理辐射能的测量。 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 ×1011～ 3×1016Hz的 辐射度学主要研究频率为3× × 的 光辐射，对应于0.01~1000µm微米的波长。 微米的波长。 光辐射，对应于 微米的波长 • 波段范围包括红外、可见光、紫外线。 波段范围包括红外、可见光、
光度学
• 与辐射度学类似，但它只处理人眼可感知的光， 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。 纳米。 即可见光，波长范围为 ～ 纳米 • 波长450nm对应于蓝色，540nm对应于绿色， 对应于蓝色， 对应于绿色， 波长 对应于蓝色 对应于绿色 659nm对应于红色。 对应于红色。 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 色度学不处理颜色的感知本身， 长的感知强度。例如，绿光比红光和蓝光亮。 长的感知强度。例如，绿光比红光和蓝光亮。
入射辐射亮度
• 入射辐射亮度 入射辐射亮度(incoming radiance)定义为： 定义为： 定义为 d 2Φ Lsurf = dA(dω cos θ ) 它用来度量单位平方米单位球面度的瓦特数。其中 为入 它用来度量单位平方米单位球面度的瓦特数。其中θ为入 射光线与表面法向的夹角。 射光线与表面法向的夹角。
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 在辐射度学中，辐射能量 是基本的能量单位 是基本的能量单位， 焦耳) 焦耳 来度量。 来度量。 • 每个光子有一定的辐射能量，其大小为Planck常数 每个光子有一定的辐射能量，其大小为 常数 (6.62620× (6.62620×10-34焦耳秒)乘以光速(2.998×108米/秒)，再除 焦耳秒)乘以光速 乘以光速(2.998× /秒 )， 以光子的波长。 以光子的波长。 • 等价于每焦耳的光子数目为 等价于每焦耳的光子数目为5.034×1015乘以光子的波长。 × 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 的波段处， 例如，在波长为 的波段处 为2.77×109个。 ×
光学与视觉基础知识
2.1 辐射度学基本知识
2.1.4 辐射亮度
辐射亮度Le，表示的是面辐射源沿不同方向 的辐射能力的差异，也就是单位面积单位立体角内 的辐射通量。其计算公式如下：
Le ,
dI e dS cos
dS
d2Φe dΩ cos
（2-1）
其中，有一种特殊的辐射体，其辐射强度在空
间的分布上满足余弦关系，这种辐射体的辐射亮度 是均匀的，与方向角θ无关。太阳、漫反射面都可以 看作是余弦辐射体。
辐射强度Ie表示的是在给定方向上单位立体角 的辐射通量，辐射强度的单位是：瓦/球面度。辐射 强度反映了辐射源能量分布的各向异性的特点，也 就是说Ie随方向改变而改变。
图2-1辐射强度
光电图像处理
2.1 辐射度学基本知识
2.1.3 辐射出射度与辐射照度
辐射出度Me，指的是面辐射源的辐射能 力及单位面积的辐射通量。另外一个与之比 较相近的量辐射，辐射照度Ee，定义也基本 类似，它指的是，辐射接收面上单位面积接 受的辐射通量。它们的单位都是瓦/平方米， 计算公式也一致。但要注意它们两者之间的 区别。
（2-5）
光电图像处理
2.3 光度学的概念与物理量
2.3.2 光度量的基本物理量
表2-1 光度量与辐射度量的对应关系
辐射度量
符号
单位名称
光度量
符号
辐［射］能
Qe
辐［射］通量
或
Φe
辐［射］功率
焦耳 (J) 瓦 (W)
光能
Qv
光通量
或
Φv
光功率
辐［射］照度
Ee
瓦/平方米 (W·m-2) [光]照度
Ev
光电图像处理
2.4 色度学基础知识
第2讲辐射度学
光视效能与光谱光视效能的关系
返回
3.1 光视效能与光视效率
3.1.2光视效率
定义：光视效能 公式：
V
与最大光谱光视效能 K m 之比 K
K V Km
光谱光视效率（视在函数） ：
V
K Km
光视效率与光谱光视效率的关系：
1 v d V e d V V d . K m e d e d
返回
3.2 基本光度量
光通量 光亮度 光照度 发光强度 光出射度 光量
发光效率
返回
用“标准人眼”来评价的光辐射通量
明视觉光通量： 暗视觉光通量：
3.2.1光通量
v Km
780nm
380nm
780nm
V e d
V ' e d
'v K 'm
辐射度学的基本特点。
辐射能的测量误差较大，1%误差已经是很的科学与技术。引入了描述人眼对光敏感程
度的物理量，还考虑人眼视觉机理的生理和感觉印象等心 理因素。光度学的一些概念仅适用于可见光范围。
2.辐射量
2.光谱辐射量 1.基本辐射量
辐射量
3.光子辐射量
红外系统
第2讲 辐射度学
本节内容
1.引言
2.辐射量
基本辐射量 光谱辐射量
光子辐射量
3.光度量
光视效能
基本光度量
1.引言
辐射度学。
是一门研究电磁辐射能测量的科学与技术。在整个电磁波
谱范围内，辐射度学的基本概念和定律都是适用的。
辐射度学的基本假设。
辐射按直线传播； 辐射能是不相干的。
三度学习题与思考题
第一章辐射度量、光辐射度量基础1.通常光辐射的波长范围可分为哪几个波段？2.简述发光强度、亮度、光出射度、照度等定义及其单位。
3.试述辐射度量与光度量的联系和区别。
4.人眼视觉的分为哪三种响应？明暗和色彩适应各指什么？5.何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？人眼对应不同波长的光波做出变化的灵敏度6.试述人眼的分辨力的定义及其特点。
7.简述人眼对间断光的响应特性，举例利用此特性的应用。
8.人眼及人眼－脑的调制传递函数具有什么特点？9.描述彩色的明度、色调和饱和度是怎样定义的，如何用空间纺锤体进行表示？10.什么是颜色的恒常性、色对比、明度加法定理和色觉缺陷。
11.简述扬-赫姆霍尔兹的三色学说和赫林的对立颜色学说。
扬-赫姆霍尔兹的三色学说假设人眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋都引起红绿蓝三原色中的一种原色的感觉。
波长不同，引起三种纤维的兴奋程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉，总亮度感觉为三种纤维中每种纤维提供的亮度感觉之和。
赫林的对立颜色学说叫做四色学说，假设视网膜上有白黑视素、红绿视素、黄蓝视素三对视素，其代谢作用包括建设和破坏两种对立过程，三种视素对立过程的组合产生各种颜色感觉和各种颜色混合现象。
12.朗伯辐射体是怎样定义的？其有哪些主要特性？13.太阳的亮度L＝⨯109 cd/m2，光视效能K＝100，试求太阳表面的温度。
14.已知太阳常数(大气层外的辐射照度)E=1.95 cal/min/cm2，求太阳的表面温度(已知太阳半径R s⨯105km，日地平均距离⨯109 km)。
15.某一具有良好散射透射特性的球形灯，它的直径是20cm，光通量为2000lm，该球形灯在其中心下方l=2m处A点的水平面上产生的照度E等于40lx，试用下述两种方法确定这球形灯的亮度。
(1)用球形灯的发光强度；(2) 用该灯在A点产生的照度和对A点所张的立体角。
16.假定一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡在各方向均匀发光，求其发光强度。
1.2 辐射度学与光度学基本知识
V适光
555
适暗性（微光）视见函数：
505 V适暗
表2 标准适光性视见函数值
辐射颜色 紫 紫 紫 紫 蓝 蓝 青 青 青 青 绿 绿 绿 波长/nm 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 V(l) 0.0004 0.0012 0.0040 0.0116 0.0230 0.0380 0.0600 0.0910 0.1390 0.2080 0.3230 0.5030 0.7100 辐射颜色 绿 绿 黄 黄 黄 黄 黄 黄 橙 橙 橙 橙 橙 波长/nm 530 540 550 555 560 570 580 590 600 610 620 630 640 V(l) 0.8620 0.9540 0.9950 1.0000 0.9950 0.9520 0.8700 0.7570 0.6310 0.5030 0.3810 0.2650 0.1750 辐射颜色 橙 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 红 波长/nm 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 V(l) 0.1070 0.0610 0.0320 0.0170 0.0082 0.0041 0.0021 0.00105 0.00052 0.00025 0.00012 0.00006
四、光照度
(1) 光照度的定义——E 光照度的定义：受照面单位面积上接收到的或投射到受照面单位面积上的光 通量。 光照度的数学表述：对于给定的受照面面元dS'，其上所接收到的或投射到 其上的光通量 dF' ，与该面元大小成正比，相应的比 例系数正是该面元上的光照度，即
d ' E d S'
第二章辐射度光度基础
朗伯(J. H. Lambert)定律——余弦定律
• 按照cos 规律发射光通量的规 律，叫朗伯定律； • 余弦辐射体可以是自发光面， 也可以是透射或反射体； • 黑体，太阳和平面灯丝钨丝等 可视为余弦辐射体； • 一个均匀的球形余弦发射体， 从远处的观察者看来，与同样 半径同样亮度的圆盘无疑。
XV Km
780
380
X e ( )V( )d
人眼的光视效能K （lm/W）
V K m 0 V ( ) e ( ) d K K mV e ( ) d
0
e
V ( )视效率
常见光源的光视效能
• 光通量：光源在单位时间内，向周围空间辐射出的、使人 光视效能 光视效能 光源类型 光源类型 眼产生光感觉的能量，称为光通量，用符号Φv表示，单 (lm/W) (lm/W) 位为流明 (lm)。 钨丝灯 (真空) 8~9.2 1W电功率所发出的流明数 日光灯 27~41 • 人们通常以电光源消耗 (lm／W) 钨丝灯 (充气) 9.2~21 高压水银灯 34~45 来表征电光源的特性，称为发光效率，简称光效。电光源 的光效越高越好。 石英卤钨灯 30 超高压水银灯 40~47.5
的余弦变化。
朗伯余弦辐射体
发光强度的空间分布满足 的发光表面叫做余弦辐射体。
I0为发光面在法线方向的发光强度， Iθ为和法线成任意 角度θ方向的发光强度。发光强度向量Iθ端点的轨迹是一个与 发光面相切的球面，球心在法线上，球的直径为I0。
上图为用向量表示的余弦辐射体在通过法线的任意截面 内的光强度分布。
朗伯辐射体的辐射出射度与亮度的关系
dΦ L cos dSd LdS cos d LdS d 2 sin cos d
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。
辐射度与光度学的基础知识
Xνλ——光度量；Xeλ——辐射量； Km是常数；V(λ)光谱光视效率。 5. 明视觉和暗视觉：人眼在环境亮度不同时对 颜色的视觉效率不同。 明视觉：光亮度大于几个cd/m2 暗视觉：光亮度小于0.01cd/m2
二、光度的基本物理量
1. 光通量
单位时间内光源发出的光能量（功率）
780nm
K m
注:
1. 光度量的定义和辐射度量的定义只一字之差，‚
2. 3. 4. 5. 辐射‛——“光‛。 下角标有e、λ、ν，辐射量在与其它量同用时 标e。 从表达式可直接说出定义及物理意义 从表达式可直接说出单位 出射度和照度的表达式相同、单位也相同，注 意一个是发射，一个是接收。
三个发射量的区别和关系
是辐射量对人眼视觉的刺激值。是主观的,不管辐射量大小 ,以看到为准。光谱光视效率是评定该刺激值的参数。 基本物理量是发光强度，单位坎德拉。一个光源发出频率 为540*1012Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度
为1/683W/sr,则该光源在该方向上的发光强度为1cd。
一、光谱光视效能和光谱光视效率
光谱光视效能（K） ，描述某一波长的单色光辐射 通量产生多少相应的单色光通量。即光视效能K定 义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值， 即
Φ ——在波长λ处的光通量 Φeλ ——在波长λ处的辐射通量 单位：流明/瓦特（lm/W）。
νλ
通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率
5401012Hz（波长555nm）处，K有最大值，其
黑体 在物理学中，所谓黑体，是指这样 一种物体，在任何温度下，它将入射的任 何波长的电磁波全部吸收，没有一点反射， 而在相同温度下，它所发射出的热辐射比 任何其他物体都强。 光有多种颜色组成, 黑色吸收所有颜色,不反射任何颜色,即没 有光线进入眼睛时,称之为黑色。如果一个 物体能够全部吸收而不反射投射于其上的 辐射,就称它为绝对黑体,简称为黑体。
第二章 光辐射与光源_基本概念
2.1 辐射度量
(6) 辐射出射度 (M，单位Ｗm-2): 离开光源表面单位面元的辐射 通量
d M dA
面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。平面与球面辐射 出射度的表面积。 (7) 辐照度 (E，单位Ｗm-2): 单位面元被照射的辐射通量 d E dA 辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用 来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。
Hale Waihona Puke MLML
2.4 几种典型光辐射量的计算公式
2.4.1 点源对微面元的照度
设受照微面元dA距点源O的距离为l，其平面法线n与辐射 方向夹角为，dA对点源O所张立体角为若点源在该方向的辐 射强度为I，则向立体角d发射的通量dP为 IdA cos dP Id 2
l
如果不考虑能量传播损失，则微面元照度为 n
如果R /l01/10，即当l0>10R或0 ≤5.7°时，相对误差<1%。
物理意义：目标点与圆盘朗伯辐射体的距离大于10倍 圆盘半径时，按点源测量的辐照度相对误差小于1%。
2.4.5 成像系统像平面的辐照度
物空间亮度L0的微面元ds0经过成像物镜成像在像空间ds1微 面元上，确定ds1上的照度。微面元向透镜口径D所张立体角发 射的辐射通量为
2.2 光度量
dv
(3) 光通量(v, 单位流明lm) (4) 发光强度(Iv, 单位坎德拉, cd, lm· -1) sr
d I d
dQv v dt
2 (5) 亮度 (Lv, 单位cd· -2): L d / d dA cos dI / dA cos m
(6) 光出射度(Mv ,lm· -2) m (7) 照度(Ev ,lm· -2) m
辐射度与光度学的基础知识
辐射度与光度学的基础知识目录一、辐射度学基础知识 (3)1. 辐射度概念及原理 (4)1.1 辐射度的定义 (5)1.2 辐射度的物理量及其单位 (5)1.3 辐射源的类型与特点 (6)2. 辐射的传播与转换 (7)2.1 辐射的传播方式 (8)2.2 辐射能的转换与传输 (10)2.3 辐射强度的衰减规律 (11)二、光度学基础知识 (12)1. 光度学概述 (13)1.1 光度学的定义与目的 (14)1.2 光学系统的基本组成 (15)1.3 光度学与辐射度学的关系 (16)2. 光学量的测量与计算 (17)2.1 光照度及其测量 (18)2.2 亮度及其计算 (19)2.3 色温与显色指数 (20)三、辐射度与光度在照明设计中的应用 (21)1. 照明设计基本原理 (22)1.1 照明设计的基本要求 (23)1.2 照明设计的步骤与方法 (24)1.3 照明设计的注意事项 (25)2. 辐射度与光度在照明设计中的应用实例 (26)2.1 室内照明设计 (27)2.2 室外照明设计 (28)2.3 特殊场合照明设计 (30)四、辐射安全与防护 (32)1. 辐射安全基础知识 (33)1.1 辐射的种类与特点 (35)1.2 辐射对人体的影响 (36)1.3 辐射安全标准与规范 (37)2. 辐射防护措施及方法 (38)2.1 时间防护 (39)2.2 距离防护 (40)2.3 屏蔽防护 (41)2.4 个人剂量监测与健康管理 (42)五、实验及案例分析 (43)1. 实验教程 (45)1.1 实验一 (46)1.2 实验二 (47)1.3 实验三 (48)2. 案例分析 (49)2.1 案例一 (50)2.2 案例二 (51)一、辐射度学基础知识辐射源与辐射类型：辐射源是发出辐射能量的物体或点。
辐射可以是电磁辐射，如可见光、红外线和紫外线等；也可以是粒子辐射，如电子和光子等。
在光度学中，主要关注的是电磁辐射。
第二章-光辐射与光源精选版
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3
§2.2 光辐射的度量
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光 辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存 在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系 （物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量，脚 标“v”表示光度物理量）。后者是考虑到人眼的 主观因素后的相应计量学科，其适用性局限于可 见光波段；前者则是对电磁辐射能量的客观计量， 适用于整个电磁波段。
单位长度内，波动重复的次数（一个波动拥有同样相位的次 数），称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是[长 度]-1，单位惯常采用cm-1。
可见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。 390~770 nm范围的范围内；
紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长 范围是10~400 nm。
第二章 光辐射与光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评 价都离不开特定的光辐射源[产生光辐射的物体， 即光源]与光辐射探测器，所以光辐射理论和光电 转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述 参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、 时间及空间稳定性，等等。本章将简要介绍光辐 射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比 较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射 探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。
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5
⑶ 辐射出射度 简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通 量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的 定义式 (2.2-2)
单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑷ 辐射强度 辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位
立体角内的辐射通量，用Ie表示，即
《辐射度、光度、色度及其测量》
《辐射度、光度、色度及其测量》课程代码：课程名称：辐射度、光度、色度及其测量学分：2.5 学时：40先修课程：傅立叶变换与积分变换，线性代数，概率与统计，信号与系统一、目的与任务辐射度学、光度学及色度学(以下简称“三度学”)是现代光电信息转换、传输、存储、显示、测量与计量技术的基础。
本课程主要讲授“三度学”的基本概念、原理、物理量的相互转换关系、计算分析方法、测量仪器与测试计量方法等，培养学生利用相关知识、技术和仪器解决实际问题的能力，并结合军用和民用领域的应用需求，介绍三度学技术发展的前沿和应用实例，增强读者为振兴祖国经济，特别是提高国防科技水平的责任感和使命感。
因此，教材的编写力求简明扼要地说明有关的原理和分析计算方法，并通过实验更深切地学习和理解有关的测量方法、仪器使用和测试技巧。
二、教学内容及学时分配绪论(0.5学时)第1章光辐射度量基础(3.5学时)1.1辐射度量1.2光度量1.3人眼视觉特性1.4朗伯辐射体及其辐射特性1.5光辐射量的计算第二章热辐射定律及辐射源(4学时)2.1黑体辐射的基本定律2.2 黑体辐射的计算2.3 辐射源2.4 辐射体的色温第三章光辐射探测器(0.5学时)3.1光辐射探测器3.2 光辐射探测器的性能参数第四章辐射在大气中的传输(2.5学时)4.1辐射在空间的传输4.2 辐射在大气中的反射、吸收与散射4.3 辐射在传输介质界面的反射与透射第五章色度学的技术基础(9学时)5.1色度学基本概念5.2 颜色匹配5.3 CIE 1931 标准色度系统5.4 CIE 1964 补充标准色度系统5.5 CIE 色度计算方法5.6 均匀颜色空间5.7 同色异谱及其评价5.8 CIE光源显色指数计算方法5.9 其它表色系统第6章辐射测量的基本仪器(4学时)6.1 光度导轨6.2 积分球6.3 单色仪6.4 分光光度计和光谱辐射计6.5 傅立叶变换光谱仪第7章光辐射测量系统的性能及其测量(4学时)7.1响应度7.2光谱响应7.3视场响应7.4线性响应7.5偏振响应第8章光度量的测量(3学时)8.1 发光强度的测量8.2 光通量的测量8.3 照度的测量8.4 亮度的测量第9章辐射度量的测量(3学时)9.1 光谱辐射度量的测量9.2 总辐射度量的测量9.3 辐射温度的测量第10章色度的测量及其仪器(4学时)10.1 分光测色仪器10.2 CM-1000 配色系统设计实例10.3 色度计10.4 光源颜色特性的测量10.5 荧光材料的颜色测量10.6 白度测量第11章辐射度、光度与色度的应用(2学时)11.1 材料特性的测量11.2 探测器特性的测量11.3 光学系统中杂散光的分析和计算11.4 辐射测温仪11.5 卫星多光谱扫描系统11.6 建筑用低辐射玻璃三、考核与成绩评定考核：采用统一命题，统一阅卷，集体复查,严把质量关。
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0.01nm
1nm
0.1m
10m
0.1cm
10cm
10m
1km
100km
紫外
0.1
短波 中波 可见 近红外 红外 红外
1
长波 红外
10
远红外
100
(m)
光度学
电磁波谱 色度学
多波段 多光谱 超光谱 高光谱
一、辐射度量(物理的 Physical)
立体角
ds d r d
d
钨丝白炽灯的辐射强度分布
(5) 辐亮度 (L，单位Wm-2sr-1):光源在垂直其辐射传输方向上单 dΦ 位表面积、单位立体角内发出的辐射通量。
L
d dI d dA cos dA cos
2
S
d
dS
光源微面元辐强度特性 辐亮度在光辐射的传输和测量中具有重要的作用。例如，描述 螺旋灯丝白炽灯时，由于描述灯丝每一局部表面(灯丝、灯丝之 间的空隙)的发射特性常常是没有实用意义的，而把它作为一个 整体，即一个点光源，描述在给定观测方向上的辐射强度；而 在描述天空辐射特性时，希望知道其各部分的辐射特性，则用 辐亮度可描述天空各部分辐亮度分布的特性。
r
2
sin d d
sin d d
2
0
0
sin d d 2 (1 cos )
4 sin 2 ( 2)
(1) 辐射能(Q): 简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接 收的能量，单位焦耳（ J ）。辐射能量是辐射通量Φe 对时 间的积分。 (2) 辐能密度（W, 单位J/m-3）
•
消光与大气窗口
辐射度学和光度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认 为辐射的传播服从几何光学定律。
朗伯余弦定律 ——辐射的空间分布规律
• 黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法 线夹角的余弦成正比； • 朗伯余弦定律的另一种形式，叙述为“各个方向上辐射亮度 相等的发射表面，其辐射强度按余弦规律变化”。或者说： 任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间夹角
人眼的视见函数
光通量V和辐射通量e可通过 人眼视觉特性进行转换
V K m
780
380
e ( )V( )d
例题？
V()是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率(或称视见函数) 。对于 明视觉，对应为辐射通量e(555nm)与某波长 能对平均人眼产 生相同光视刺激的辐射通量e()的比值。Km是最大光谱光视效 能 ( 常数 ) ，按照国际实用温标 IPTS － 68 的理论计算，对于明视 觉，Km=683 lm/W。对暗视觉，Km=1725 lm/W。
即
M
(8) 吸收比(率)、反射比、透射比
a r s i
i
a
r
a / i , r / i , s / i 1
s
由于辐射度量也是波长的函数，当描述光谱辐射量时，可 在相应名称前加“光谱”，并在相应的符号上加波长的符号 “”作为下标，例如光谱辐射通量记为或()，等等。
朗伯(J. H. Lambert)定律——余弦定律
• 按照cos 规律发射光通量的规 律，叫朗伯定律； • 余弦辐射体可以是自发光面， 也可以是透射或反射体； • 黑体，太阳和平面灯丝钨丝等 可视为余弦辐射体； • 一个均匀的球形余弦发射体， 从远处的观察者看来，与同样 半径同样亮度的圆盘无疑。
dQv Mv ds dQv Ev ds
光通量的单位
• 发光强度的单位 坎德拉(Candela, cd)
• cd是国际单位制的七个基本单位之一
• 定义：当频率为 540×1012Hz (λ=555nm in air)的 单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683W•sr-1 时，则在该方向上的发光强度为1cd。
用
•朗伯定律是热辐射度学的基本 定理之一，它是现代光辐射研 究与应用的基础。 • • 朗伯光源及朗伯理想表面的漫反射作为一种理想的模型在 辐射度学和光度学的理论计算和实验测量中应用广泛； “光学遥感仪器的光谱辐亮度标定”是现代光学和仪器科 学经常遇到的一个问题。光学遥感仪器的光谱辐亮度标定 有多种方法，在紫外波段可采用漫反射板来标定光谱辐亮 度, 如上图 所示。
的余弦变化。
朗伯余弦辐射体
发光强度的空间分布满足 的发光表面叫做余弦辐射体。
I0为发光面在法线方向的发光强度， Iθ为和法线成任意 角度θ方向的发光强度。发光强度向量Iθ端点的轨迹是一个与 发光面相切的球面，球心在法线上，球的直径为I0。
上图为用向量表示的余弦辐射体在通过法线的任意截面 内的光强度分布。
立体角Ω是描述辐射能向空间发射 、传输或被某一表面接收时的发散或 会聚的角度，定义为：以锥体的基点 为球心作一球表面，锥体在球表面上 所截取部分的表面积 dS 和球半径 r 平方 之比 d S r 2 sin d d
d r
2
o
式中，为天顶角；为方位角；d d分别为其增量。立体角单位是球面度(sr)。
v dQv dt
I d d
(3) 光通量(v, 单位流明lm)
(4) 发光强度(Iv, 单位坎德拉, cd, lm· sr-1)
2 (5) 亮度 (Lv, 单位cd· m-2): L d / d dA cos dI / dA cos
(6) 光出射度(Mv ,lm· m-2) (7) 照度(Ev ,lm· m-2)
朗伯辐射体的辐射出射度与亮度的关系
dΦ L cos dSd LdS cos d LdS d 2 sin cos d
0 0 2
LdS dΦ M L dS
朗伯辐射源在任意方向上的辐射亮度均等于法线方向上的辐射 亮度，且等于M/π。
应
dS
dS*
朗伯球体的亮度
• 余弦辐射体在和法线成任意角 度方向的光亮度L,可以表示为
d ( , ) I L ddS cos dScos I N cos I N LN c dScos dS
LN
可见，把半球上每个面元dS投影到圆盘上，得到面积为 dS*=dScos的面元，这两个面元在指向观察者的方向上的发光 强度和投影面积都是一样的，因而亮度也是一样的。余弦辐射 体在各个方向上的光亮度相同。
(6) 辐射出射度 (M，单位Ｗm-2): 离开光源表面单位面元的辐射通量。
d dA 面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。dΦ为面光源表面上的小 面元dA在各方向上（多为半空间２π立体角）所发出的总的辐射通量 。 (7) 辐照度 (E，单位Ｗm-2):投射在单位面元上的辐射通量。即 d E dA 辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述 微面元发射和接收辐射通量的特性。两者的区别：前者描述的是面光 源向外发射的辐射特性，后者则是描述接收面所接收到的辐射特性。
光电检测技术
第二章 辐射度、光度学基础
吕勇 lvyong222@
辐射的基本概念
• What is radiation?
Radiation is energy that travels in the form of waves or particles.
1
辐射度学
光学谱段 可见光 微波 射线 x射线 紫外线 红外 EHF SHF UHF VHF HF MF 无线电波 LF VLF
的右下角注明角度，用以表示与物体表面法线成α角方
向的亮度。
LVa
I va S cos
• 物体的亮度越高，人们就会感到它越亮。
常用辐射度量和光度量之间的对应关系
光谱辐射量----辐射量的光谱密度
•(1) 光谱辐射通量Φe (W/µ m ；W/nm ) 辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射通量 Φe(λ)＝dΦe /dλ • (2) 光谱辐射强度 • (3) 光谱辐(射)照度 Ie (λ) =dIe /d Ee (λ) =dEe /d
e Ie( , )d
2
0
d Ie( , )sind
0
(均 匀 点 光 源 ) 4Ie
辐射强度描述了光源辐射的方向特性。 点光源~扩展源:即光源发光部分的尺寸比起其实 际辐射传输距离小得多时，可以将其近似认为是 一个点光源，在辐射传输计算，测量上不会引起 明显的误差。点光源向空间辐射球面波。
二、光度量(生理的 physiological) 人所感受的外界信息80%以上来自视觉。
• 人眼的视网膜(Retina)上布满了大量的感官细胞，即杆状细 胞(rods)和锥状细胞(cones)。 • 杆状细胞灵敏度高，它能感受微弱光刺激；锥状细胞感光灵 敏度低，但能很好的区别颜色和辨别被视物的细节。
• 视觉神经对不同波长光的感光
灵敏度是不一样的，对绿光最 灵敏，而对红、蓝光最低。
0.29R+0.6G+0.11B
• 明视觉
• 暗视觉
• 中介视觉
暗视觉 中介视觉 明视觉
• 颜色适应
3×10-5cd/m2
3cd/m2
3×105cd/m2
二、光度量 (生理的 physiological)
描述光辐射能平均为人眼接受后引起视觉刺激大小的量。 • 与辐射量的区别 在研究方法和概念上十分相似，在评价光电系 统性能时，辐射度量和光度量紧密相关。
气体放电管
16~30
钠光灯
60
• 人眼对可见光中波长为555nm的黄绿色光最灵敏，波长离 555nm越远(如波长较长的红光和波长较短的紫光)灵敏度 越低，所以光通量与光辐射的强弱及其波长都有关系。
(1) 光能(QV，单位流明秒lm· s)