第五章 辐射度学与光度学基础
第五章辐射度学与光度学基础
§5.1 辐射度学与光度学中基本量 光是具有能量的
激光焊接，激光致盲，太阳能热水器
一个1000瓦二氧化碳激光器可以在一块钢板上打孔 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，本章解决能量的数量问题
波长为400~760nm范围内的电磁波称为“可见光” 可见光是能对人眼的视觉形成刺激并能被人感受的电磁辐射
描述电磁波辐射的量称为辐射量
按照视觉响应原则建立的表征可见光的量称为光学量
可见光可用辐射量和光学两种量值系统来度量
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
实验表明，具有相同辐射量而波长不同的可见光分别作用于人眼，人所感受到的明暗程度不同
视见函数V（λ）：
?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（λ）/I(555)
光学量与辐射量间的关系
? d Φ=K m·dΦe·Vλ
4.光度学中的基本量
光能量
依人眼的感觉强弱，进行量度的辐射能, Q
光通量－描写辐射通量引起人眼的视觉强度?Φ=dQ/dt，单位时间内，光源发出或通过一定面积的光能?对单色光源：d Φ=K m·dΦe·Vλ
?单位：流明lm
?K m的规定：1瓦555nm的单色光辐射通量＝683流明的光通＝683流明/瓦，是光通量与功率的转换当量量，K
m
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
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。
钨丝灯的光视效能为15lm/W
灯泡所发出的总光通量为
Φ=K
·Φe=15*60=900lm
m
根据发光强度的定义
I＝dΦ/dΩ= Φ/4π=900/4 π=71.62cd
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
L He-Ne=440L太阳
“勿对着眼睛照射”
“激光致盲武器”
光度学与辐射度学的关系
人眼视觉与光度学和辐射度学的关系 夏俊峰 2008.09 前言 关于视觉和光度学及辐射度学方面的内容，已有很多的文章。但是，这些文章，虽然不少讲的很细致，比如细致地讲述人眼的构造、逐条讲解光度学的概念等。但是，他们的讲解似乎各自为政，没有讲明光色视觉与光度计量及辐射计量的关系。很多人对光色的视觉感受量、光度计量、辐射计量的内容似是而非。将光度学与辐射度学割离，这在初学者和非光学研究者中很常见。 本文不是对视觉特性、光度学、辐射度学的内容做详细介绍，这些资料有很多，读者可以容易找到。本文的目的是将这些内容串起来，让非光学专业的一般人员能够了解清楚他们之间的关系。 人眼视觉和光度学与辐射度学的关系 光也是电磁波，对电磁波能量的计量有辐射度学，对辐射能量的计量单位是瓦（W ）。在380nm ～780nm 之间的电磁波能够被人眼所感受，呈现不同的色彩，这部分的电磁波就被称作可见光。 由于人眼视觉细胞的生理，各种波长、相同能量的可见光作用到视觉细胞后，人眼却感受到它们的强度是不同的，也就是说，射入人眼相同能量、不同颜色的可见光，人眼感觉却认为它们的亮度不同。前辈科学家做了大量的工作，就人眼对不同波长的可见光在相同辐射能下的感受，做了大量的测试统计，测出各波长下等同能量的光辐射对应的人眼亮度感受相对值，得出了一个归一化的函数关系，将不同波长下的辐射能量与人眼感受量对应起来。这个辐射能量与感受亮度相对大小对应的函数，就叫做视见函数，或光谱光效，或光视效率，符号：V λ。它表明光视效率是随波长λ变化而变化的。视见函数曲线见附图1。 实际上，对颜色是感觉，不同的人感觉是有差异的。就是同一个人，在不同状况下，对同一颜色的感受也会有差异，所以说，人对颜色的感觉、判断是有心理作用的。比如，几个人认为两个波长的光亮度相同，另几个人却说亮度不同。这种现象是客观存在的。所以，对视见函数的确定，也是根据对一定数量的受测人员的测试结果的统计值。这个函数关系，不可能做到对每一个人都完全符合，但它却能近似代表绝大多数人眼的特性。所以，经过国际照明委员会（CIE ）的认可，将它作为人类的统一标准。 人眼的光感受细胞有两种：锥状细胞和杆状细胞，它们对光的感受是不同的。在较强的光射入人眼时——通常认为光亮度大于3cd/m 2，是锥状细胞起作用。而在只有很低的光亮度射入人眼时——通常认为光亮度低于0.01cd/m 2，只有杆状细胞起作用。生理解剖发现，锥状细胞有三种，分别对红、绿、蓝三色光有最大的感受，因此我们可以分别各种颜色。杆状细胞只有一种，它只对光亮度有感受，不能分辨颜色。在只有杆状细胞作用时，我们看到的只是灰度的图像。杆状细胞对相同能量、不同波长光辐射的感受状况与锥状细胞的感受状况是不同的，因此，视觉函数分为明视觉和暗视觉两种。只有锥状细胞作用的视觉状态是明视觉状态，只有杆状细胞作用的视觉状态是暗视觉状态。而在光亮度在0.01～3cd/m 2之间时，两种细胞都会有作用，人眼对光的感受即不同于明视觉，也不同于暗视觉。前人也对此做过测试，但是至今也没有得出一个有代表性的中间视觉函数来。 需要强调一下，人眼的明视觉状态和暗视觉状态，是依射入人眼的光亮度来决定的。有些人认 应用请注明出处
4.5_辐射度学与光度学中基本量
§辐射度学与光度学中基本量 ?光是具有能量的 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，本章解决能量的数量问题 ?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 ?描述电磁辐射的物理量为辐射量，也可描述可见光 ?可见光可用辐射量和光学量两种量值系统来度量 1. 立体角
2.辐射度学中的基本量 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 ?具有相同辐射量而波长不同的可见光分别作用于人眼，人所感受到的明暗程度不同 ?视见函数V（λ）： ?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（λ）/I(555) ?光学量与辐射量间的关系 ?dΦ=K m?dΦe?Vλ 4.光度学中的基本量
?光能量 依人眼的感觉强弱，进行量度的辐射能, Q ?光通量－描写辐射通量引起人眼的视觉强度 ?Φ=dQ/dt ，单位时间内，光源发出或通过一定面积的光能 ?对单色光源：d Φ=K m?dΦe?Vλ ?单位：流明lm ?K m的规定：1瓦555nm的单色光辐射通量＝683流明的光通量，K m＝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