第12章 辐射度学和光度学基础
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应用光学-辐射度学和光度学基础PPT文档共42页
要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
应用光学-辐射度学和光度学基础
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
应用光学-辐射度学和光度学基础
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
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
辐射度学与光度学基本知识
1.2 辐射度学和光度学
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。 ×
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。 ×
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。
红外物理(第二版)课件：辐射度学和光度学基础
其中,V 为体积,单位是 m3。
辐射度学和光度学基础 2.2.3 辐射功率
辐射功率就是发射、传输或接收辐射能的时间速率,用 P 表示,单位是 W,其定义 式为
其中,t为时间,单位为s。
辐射度学和光度学基础
辐射功率主要描述辐射能的时间特性,如许多辐射源的 发射特性,以及辐射探测器的 响应值不取决于辐射能的时间 积累,而取决于辐射功率的大小。
辐射度学和光度学基础 因此,在θ方向观测到的辐射源表面上位置x 处的辐亮度,
就是 Δ2P与 ΔAθ及 ΔΩ 之比的极限值,即
辐亮度的单位是 W/(m2·sr)。
辐射度学和光度学基础
图2-5 辐亮度的定义
辐射度学和光度学基础
由(2-7)式可知,源面上的小面源dA在θ方向的小立体角元 dΩ 内发射的辐射功率为d2P=LcosθdΩdA,所以,dA 向半球空 间发射的辐射功率可以通过对立体角积分得到,即
辐射度学和光度学基础
辐射度学主要是建立在几何光学的基础上,作两个假设: 第一,辐射按直线传播,因 此,辐射的波动性不会使辐射能的空 间分布偏离一条几何光线所规定的光路;第二,辐射 能是不相 干的,所以辐射度学不考虑干涉效应。
与其他物理量的测量相比较,辐射能的测量误差是很大 的,百分之一的误差就认为是 很精确的了。这也只能是在操 作非常小心,所采用的元件、技术、测试标准与上述误差十 分匹配的条件下才能达到的。
辐射度学和光度学基础 对于上述所测量的小面源 ΔA,有
由上式可得
辐射度学和光度学基础 如果小面源的辐亮度L 不随位置变化(由于小面源 ΔA
面积较小,通常可以不考虑L 随 ΔA 上位置的变化),则
即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐 亮度乘以小面源在该方向上的 投影面积(或表观面积)。
辐射度学和光度学基础 2.2.3 辐射功率
辐射功率就是发射、传输或接收辐射能的时间速率,用 P 表示,单位是 W,其定义 式为
其中,t为时间,单位为s。
辐射度学和光度学基础
辐射功率主要描述辐射能的时间特性,如许多辐射源的 发射特性,以及辐射探测器的 响应值不取决于辐射能的时间 积累,而取决于辐射功率的大小。
辐射度学和光度学基础 因此,在θ方向观测到的辐射源表面上位置x 处的辐亮度,
就是 Δ2P与 ΔAθ及 ΔΩ 之比的极限值,即
辐亮度的单位是 W/(m2·sr)。
辐射度学和光度学基础
图2-5 辐亮度的定义
辐射度学和光度学基础
由(2-7)式可知,源面上的小面源dA在θ方向的小立体角元 dΩ 内发射的辐射功率为d2P=LcosθdΩdA,所以,dA 向半球空 间发射的辐射功率可以通过对立体角积分得到,即
辐射度学和光度学基础
辐射度学主要是建立在几何光学的基础上,作两个假设: 第一,辐射按直线传播,因 此,辐射的波动性不会使辐射能的空 间分布偏离一条几何光线所规定的光路;第二,辐射 能是不相 干的,所以辐射度学不考虑干涉效应。
与其他物理量的测量相比较,辐射能的测量误差是很大 的,百分之一的误差就认为是 很精确的了。这也只能是在操 作非常小心,所采用的元件、技术、测试标准与上述误差十 分匹配的条件下才能达到的。
辐射度学和光度学基础 对于上述所测量的小面源 ΔA,有
由上式可得
辐射度学和光度学基础 如果小面源的辐亮度L 不随位置变化(由于小面源 ΔA
面积较小,通常可以不考虑L 随 ΔA 上位置的变化),则
即小面源在空间某一方向上的辐射强度等于该面源的辐 亮度乘以小面源在该方向上的 投影面积(或表观面积)。
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
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与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作 基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单 位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而 且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。
17
大学物理
一 光谱光视效能和光谱光视效率
光视效能：光视效能描述某一波长的单色光辐射通量 可以产生多少相应的单色光通量。
同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即
K
v e
单位：流明/瓦特（lm/W）
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，其数 值为Km=683lm/W。
单色光视效率是K用Km归一化的结果，定义为
V
K Km
1 Km
v e
18
大学物理
1.0
大学物理
1
大学物理
2
§12-1 辐射度学的基本物理量 §12-2 光度学的基本物理量 §12-3 照度定律
大学物理
3
大学物理
辐射度学与光度学
辐射度学(Radiometry )是研究电磁辐射能测量的一 门科学. 辐射度量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量.
光度学(Photometry )是研究光度测量的一门科学.
辐射照度 Ee Ee=de/dA W/m2 (光)照度 Ev Ev=dv/dA lx
20
大学物理
§12-3 照度定律
21
大学物理
一 余弦定律
１.朗伯定律
在θ方向上：
Ee
de dS
S
d
de
n
dS dS
在法线方向上：Ee
de dS
dS dS cos
如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有:
Ee Ee cos
光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺 激大小的度量.
4
大学物理
光辐射
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量， 它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量 及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在 10nm ~ 1mm，或频率在31016Hz~31011Hz范围内。 一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分 成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在 可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m 表示。波数的单位习惯用cm-1。
余弦辐射体的辐射出射度
Me
de dA
Le0
13
大学物理
六 辐射照度
在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元 dA上的辐射通量与该面元的面积之比。
单位：瓦特每平方米（W/m2）
Ee
dΦe dA
不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位 相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通 量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的 角度来定义的
W 光通量 v v=Iv d lm
辐射出射度 Me Me=dedS W/m2 光出射度 Mv Mv=dv/dS lm/m2
辐射强度 Ie Ie=de/d W/sr 发光强度 Iv
Iv=dv/d
cd
辐射亮度 Le Le=dIe/(dScos) W/m2·sr (光)亮度 Lv Lv=dIv/(dScos) cd/m2
物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量， 角标“v”表示光度物理量。
6
大学物理
§12-1 辐射度学的基本物理量
7
大学物理
一 辐射能
辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主 要指紫外、可见光和红外辐射）能量。
当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它 形式的能量，如热能、电能等。
单位：焦耳J
Qe h
8
大学物理
二 辐射通量
辐射通量e又称为辐射功率，是指以辐射形
式发射、传播或接收的功率。
单位时间内流过的辐射能量。
单位：瓦特 W
e
dQe dt
9
大学物理
三 辐射出射度
辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。
辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量。
单位：瓦特每平方米（W/m2）
Me
dΦe dA
5
大学物理
辐射度单位和光度单位两套不同的体系。 辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或 者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基 本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于 整个电磁波段。 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计 量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度， 其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。
0.8
V'
V
0.6
光视 效 率
0.4
0.2
0.0 400
500
600
700
波 长 (nm)
800
19
大学物理
二 常用辐度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
对应的光度量
物理量名称 符号 定义或定义式
单位
物理量名 称
符号
定义或定义式
单位
辐射能 Qe
J
光量 Qv
Qv=v dt lm·s
辐射通量 e e＝dQe/dt
2. 朗伯光源
遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源． 只有绝对黑体才是朗伯光源
22
大学物理
余弦定律同理可用于光照度上
n
Ev
dv dS
dv
dS / cos
dS
dS
Ev cos
23
大学物理
二 平方反比定律
面积元dS对点光源所张的立体角 S d
d
dS
cos
r2
d内的光通量
dv
Ivd
IvdS cos
r2
面光源A向的半球面空间发射的总辐射通量
e M edA
A
10
大学物理
四 辐射强度
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。
单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）
S
de
Ie
dΦe d
d
点光源在有限立体角Ω内 发射的辐通量
e Ied
11
大学物理
五 辐射亮度
面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。
de
n
dS dS
单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。
d
d
dS S
Le
dI e
dA cos
d 2Φe
ddA cos
12
大学物理
有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足
dI e dI e0 cos 余弦辐射体或朗伯体
沿其法线方向的辐射强度
余弦辐射体的辐射亮度
Le
dI e 0 dA
Le 0
可见:余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角 无关。
14
大学物理
七 光谱辐射度量
单位波长间隔内对应的辐射度量，称为光谱辐 射度量，也叫辐射量的光谱密度，是辐射量波长的 变化率。
光谱辐射度量与辐射度量之间满足
Xe ()
dX e
d
Xe 0 Xe()d
15
大学物理
§12-2 光度学的基本物理量
16
大学物理
光度量
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计 量单位，在光频区域光度学的物理量可以用 与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完全一 一对应。
17
大学物理
一 光谱光视效能和光谱光视效率
光视效能：光视效能描述某一波长的单色光辐射通量 可以产生多少相应的单色光通量。
同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即
K
v e
单位：流明/瓦特（lm/W）
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，其数 值为Km=683lm/W。
单色光视效率是K用Km归一化的结果，定义为
V
K Km
1 Km
v e
18
大学物理
1.0
大学物理
1
大学物理
2
§12-1 辐射度学的基本物理量 §12-2 光度学的基本物理量 §12-3 照度定律
大学物理
3
大学物理
辐射度学与光度学
辐射度学(Radiometry )是研究电磁辐射能测量的一 门科学. 辐射度量是用能量单位描述光辐射能的客观物理量.
光度学(Photometry )是研究光度测量的一门科学.
辐射照度 Ee Ee=de/dA W/m2 (光)照度 Ev Ev=dv/dA lx
20
大学物理
§12-3 照度定律
21
大学物理
一 余弦定律
１.朗伯定律
在θ方向上：
Ee
de dS
S
d
de
n
dS dS
在法线方向上：Ee
de dS
dS dS cos
如果发光面或漫射面的亮度不随方向而改变，则有:
Ee Ee cos
光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺 激大小的度量.
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光辐射
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量， 它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量 及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在 10nm ~ 1mm，或频率在31016Hz~31011Hz范围内。 一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分 成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在 可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m 表示。波数的单位习惯用cm-1。
余弦辐射体的辐射出射度
Me
de dA
Le0
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六 辐射照度
在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元 dA上的辐射通量与该面元的面积之比。
单位：瓦特每平方米（W/m2）
Ee
dΦe dA
不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位 相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通 量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的 角度来定义的
W 光通量 v v=Iv d lm
辐射出射度 Me Me=dedS W/m2 光出射度 Mv Mv=dv/dS lm/m2
辐射强度 Ie Ie=de/d W/sr 发光强度 Iv
Iv=dv/d
cd
辐射亮度 Le Le=dIe/(dScos) W/m2·sr (光)亮度 Lv Lv=dIv/(dScos) cd/m2
物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量， 角标“v”表示光度物理量。
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§12-1 辐射度学的基本物理量
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一 辐射能
辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主 要指紫外、可见光和红外辐射）能量。
当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它 形式的能量，如热能、电能等。
单位：焦耳J
Qe h
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二 辐射通量
辐射通量e又称为辐射功率，是指以辐射形
式发射、传播或接收的功率。
单位时间内流过的辐射能量。
单位：瓦特 W
e
dQe dt
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三 辐射出射度
辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。
辐射体单位面积向半球面空间发射的辐射通量。
单位：瓦特每平方米（W/m2）
Me
dΦe dA
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辐射度单位和光度单位两套不同的体系。 辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或 者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基 本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于 整个电磁波段。 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计 量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度， 其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。
0.8
V'
V
0.6
光视 效 率
0.4
0.2
0.0 400
500
600
700
波 长 (nm)
800
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二 常用辐度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
对应的光度量
物理量名称 符号 定义或定义式
单位
物理量名 称
符号
定义或定义式
单位
辐射能 Qe
J
光量 Qv
Qv=v dt lm·s
辐射通量 e e＝dQe/dt
2. 朗伯光源
遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源． 只有绝对黑体才是朗伯光源
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余弦定律同理可用于光照度上
n
Ev
dv dS
dv
dS / cos
dS
dS
Ev cos
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二 平方反比定律
面积元dS对点光源所张的立体角 S d
d
dS
cos
r2
d内的光通量
dv
Ivd
IvdS cos
r2
面光源A向的半球面空间发射的总辐射通量
e M edA
A
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四 辐射强度
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。
单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）
S
de
Ie
dΦe d
d
点光源在有限立体角Ω内 发射的辐通量
e Ied
11
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五 辐射亮度
面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。
de
n
dS dS
单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。
d
d
dS S
Le
dI e
dA cos
d 2Φe
ddA cos
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有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足
dI e dI e0 cos 余弦辐射体或朗伯体
沿其法线方向的辐射强度
余弦辐射体的辐射亮度
Le
dI e 0 dA
Le 0
可见:余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角 无关。
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七 光谱辐射度量
单位波长间隔内对应的辐射度量，称为光谱辐 射度量，也叫辐射量的光谱密度，是辐射量波长的 变化率。
光谱辐射度量与辐射度量之间满足
Xe ()
dX e
d
Xe 0 Xe()d
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§12-2 光度学的基本物理量
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光度量
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计 量单位，在光频区域光度学的物理量可以用 与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完全一 一对应。