第1章 辐射度与光度基础2013911

1、 由于大部分由于大部分光源是作为照明用的光源是作为照明用的，而且照明，而且照明 的效果的效果最终是以人眼来评定的最终是以人眼来评定的 ，因此照明光源，因此照明光源 的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参数量即的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参数量即 光度量来描述。光度量来描述。 光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度 值。值。能量相同而能量相同而波长不同的光波长不同的光，对人眼引起，对人眼引起 的的视觉强度是不相同的视觉强度是不相同的。 2 由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应， 故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗辐射度单位描述的光辐射不能

2、正确反应人的亮暗 感觉感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性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， 其关系如表1所示。 与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基基 本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位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。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。 eeeeee ELMIQ、 vvvvvv ELMIQ、 光度的基本物理量光度的基本物理量 光度量中光度量中最基本的单位最基本的单位是是发光强度单位发

3、光强度单位坎德坎德 拉拉(Candela)，记作，记作cd，它是国际单位制中七个基本单，它是国际单位制中七个基本单 位之一。其定义是位之一。其定义是555nm波长的波长的单色辐射单色辐射，在给定方，在给定方 向上的向上的辐射强度辐射强度为为1683Wsr-1时，在该方向上的发光时，在该方向上的发光 强度为强度为l lcd。 光通量的单位是光通量的单位是流明流明( (lm) )，它是发光强度为，它是发光强度为l lcdcd的的 均匀点光源在均匀点光源在单位立体角单位立体角内发出的光通量。内发出的光通量。 光照度的单位是光照度的单位是勒克斯勒克斯( (lx) )，它相当于，它相当于1 1lm的光通

4、的光通 量均匀地照在量均匀地照在1m2面积上所产生的光照度面积上所产生的光照度。 人眼对各种波长的光的人眼对各种波长的光的感光灵敏度是不一样的感光灵敏度是不一样的， 一般情况下，对一般情况下，对。 视见函数：视见函数：国际照明委员会国际照明委员会（CIE）根据对许多人根据对许多人 的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各 种波长的光的种波长的光的，称为，称为“标准光度观察标准光度观察 者者”的的光谱光视效率光谱光视效率V(),(),或称视见函数或称视见函数。 1)(V1)555(nmV 两种度量单位的转换两种度量单位的转换 1. 光谱光视效能

5、光谱光视效能 K() v许多接收器所能感受的波长是有许多接收器所能感受的波长是有选择性选择性的，接收的，接收 器对不同波长电磁辐射的器对不同波长电磁辐射的响应程度响应程度( (反应灵敏度反应灵敏度) )称称 为为光谱响应度光谱响应度或或光谱灵敏度光谱灵敏度。 v对人眼来说采用对人眼来说采用光谱光视效能光谱光视效能K()K()来表征不同波来表征不同波 长辐射下的响应能力，长辐射下的响应能力，光谱光视效能光谱光视效能K()K()为为同一波同一波 长下光谱光通量与光谱辐通量之比长下光谱光通量与光谱辐通量之比: : v e K 2. 2. 光谱光视效率（视见函数）光谱光视效率（视见函数） V()V()

6、 由于人眼在频率为由于人眼在频率为 ( (m=555nm，该，该 波长称为峰值波长波长称为峰值波长) )的辐射下，的辐射下，K()K()最大，记最大，记 以以 ，即，即光功当量光功当量。定义。定义光谱光视效光谱光视效 率率V(V()为某一波长的光谱光视效能与最大光谱光为某一波长的光谱光视效能与最大光谱光 视效能视效能Km之比之比： 12 540 10 Hz 1 683 m KlmW V()又称为又称为视见函数视见函数。根据对许多正常人眼的研。根据对许多正常人眼的研 究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。 m K V K v e K 光度量与辐射量的关系光度

7、量与辐射量的关系 780 380 ( ) ( ) vme KVd 780 380 ( ) ( ) vme XKXVd m K V K v e K e e d d 光度量是人眼对相应 辐射度量的视觉强度 值。由于人眼对不同 波长的光的感光灵敏 度不一样，能量相同 而波长不同的光，在 人眼中引起的视觉强 度不相同。 1 1、光通量光通量 ：光辐射通量对：光辐射通量对人眼人眼所引起的视觉强度所引起的视觉强度 值。值。 例：若在波长例：若在波长到到d间隔之内的光源辐射通量为间隔之内的光源辐射通量为 e， d 。则光通量为。则光通量为 780 380 , )()( dVKdVK ememv Km为为辐射

8、度量与光度量之间的比例系数辐射度量与光度量之间的比例系数，单位为流，单位为流 明明/ /瓦，瓦， Km683lm/W，它表示在波长为，它表示在波长为555nm处，即处，即 人眼光谱光视效率最大人眼光谱光视效率最大（V()=1）处处, ,与与1w1w的辐射能通的辐射能通 量相当的光通量为量相当的光通量为683lm；换句话，；换句话，此时此时1 1lm相当于相当于 1/683W 2 2、发光强度发光强度I：光源在给定方向上，：光源在给定方向上，单位立体角内单位立体角内所所 发出的发出的光通量光通量，称为光源在该方向上的发光强度。，称为光源在该方向上的发光强度。 d d I 3 3、光出射度光出射度

9、M：光源表面给定点处：光源表面给定点处单位面积内单位面积内所发出所发出 的光通量，称为光源在该点的光出射度。的光通量，称为光源在该点的光出射度。 dA d M dA d E 4 4、光照度光照度E：被照明物体给定点处单位面积上的入射：被照明物体给定点处单位面积上的入射 光通量，称为该点的光照度。光通量，称为该点的光照度。 光光照度照度: :入射于被照物体单位面积上的光通量入射于被照物体单位面积上的光通量. . 单位单位: :勒克斯勒克斯(lux,(lux,简写为简写为lx),lx),客观存在客观存在, ,与被照物与被照物 和人的感受无关和人的感受无关. . 照度照度 光通量光通量 面积面积 例

10、如：例如： 用一只发光为用一只发光为17501750 流明的流明的100100瓦白炽灯瓦白炽灯 泡照明一个泡照明一个 3 33 39 9平方米的房平方米的房 间，其平均照度为间，其平均照度为 1750 / 91750 / 9194.4194.4勒克斯勒克斯 5 5、光亮度光亮度L：光源表面一点处的面元：光源表面一点处的面元dA在给定方向上在给定方向上 的的发光强度发光强度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投正投 影面积之比影面积之比，称为光源在该方向上的亮度。，称为光源在该方向上的亮度。 为给定方为给定方 向与面元法线间的夹角。向与面元法线间的夹角。 c

11、os dA dI L 6 6、光量光量Q：光通量：光通量对时间的积分，称为光（能）量。对时间的积分，称为光（能）量。 dtQ 光度量只在光谱的光度量只在光谱的(380nm-780nm)(380nm-780nm)才有意义。才有意义。 辐射度量辐射度量符号符号单位单位光度量光度量符符 号号 单位单位 辐射能辐射能QeJ光量光量Qlm.s 辐射通量辐射通量eW光通量光通量lm（流明流明） 辐射强度辐射强度IeW/sr发光强度发光强度Icd（坎德拉坎德拉） =lm/sr 辐射照度辐射照度EeW/m2光照度光照度Elx(勒克斯勒克斯)=lm/m2 辐射出射辐射出射 度度 MeW/m2光出射度光出射度Ml

12、m/m2 辐射亮度辐射亮度LeW/sr.m2光亮度光亮度Lcd/m2 例例1： 已知某已知某He-Ne激光器的输出功率为激光器的输出功率为3mW，试，试 计算其发出的光通量为多少计算其发出的光通量为多少lm？假设？假设V()=0.24 v,=K,e *e,=KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm) LEDLED的光参数的光参数 几种辐射源的光亮度几种辐射源的光亮度 辐射源辐射源亮度亮度 （坎德拉（坎德拉/平方厘米平方厘米 (cd cm-2)） 太阳表面太阳表面2105 碳弧灯碳弧灯1104 60瓦除去光泽的白炽灯瓦除去光泽的白炽灯9 阴极射线管阴极射线管5 40瓦白炽灯

13、瓦白炽灯0.5 白色发光漆白色发光漆310-6 He-Ne激光器（激光器（10mW，d=1mm）7107 两款摄影用测光表，两款摄影用测光表， 可以测量亮度可以测量亮度 几种辐射源产生的光照度几种辐射源产生的光照度 辐射源辐射源照度照度 （流明（流明/平方米平方米 (lm m-2)） He-Ne激光器（激光器（10nW，d=1mm）10米米 外外 5105 太阳（处于天顶位置）太阳（处于天顶位置）1.2105 晴朗天空晴朗天空1104 阴天阴天1103 全月（处于天顶位置）全月（处于天顶位置）0.27 无月的阴暗天空无月的阴暗天空110-4 距距60瓦白炽灯瓦白炽灯1米处米处1102 常见照度

14、计常见照度计 辐射度学与光度学的两条基本定律辐射度学与光度学的两条基本定律 1 1辐射强度余弦定律辐射强度余弦定律 2 2距离平方反比定律距离平方反比定律 1 1辐射强度余弦定律辐射强度余弦定律 “余弦辐射体”或“朗伯辐射体” 特点：各方向的辐射亮度是一样的 0 ddcos II L SS 0 cosII 例如：太阳 荧光屏 毛玻璃灯罩 两条基本定律两条基本定律 1 1辐射强度余弦定律辐射强度余弦定律 “余弦辐射体”或“朗伯辐射体” 特点：各方向的辐射亮度是一样的 0 ddcos II L SS 0 cosII 两条基本定律两条基本定律 2.2.距离平方反比定律距离平方反比定律 用用点光源点光

15、源照明时，被照面的照明时，被照面的照度照度E与光源的与光源的发发 光强度光强度I成正比，而与被照面到光源的距离成正比，而与被照面到光源的距离l的平方成的平方成 反比。反比。 2 l I E 22 2 4 4 4 4 R I R I dA d E RdA d ER I I 的球面上的辐射照度为的球面上的辐射照度为半径为半径为又又 的总辐射通量为的总辐射通量为在理想情况下，点光源在理想情况下，点光源 设点光源的辐射强度为设点光源的辐射强度为 如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线 的夹角为的夹角为，则：，则： cos 2 l I E 对于受到光照后成为面光

16、源的表面来说，其光对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光 出射度与光照度成正比，其中出射度与光照度成正比，其中为为漫反射率漫反射率，它，它 小于小于1，它与表面的性质无关。，它与表面的性质无关。 EM 关于光度量，正确的是（关于光度量，正确的是（ ） A、辐射通量的单位为勒克斯、辐射通量的单位为勒克斯 B、发光强度的单位为坎德拉、发光强度的单位为坎德拉 C、光通量的单位为流明、光通量的单位为流明 D、光照度的单位为坎德拉、光照度的单位为坎德拉 1、通常把对应于真空中波长在（、通常把对应于真空中波长在（ ）到（）到（ ）范围内）范围内 的电磁辐射称为光辐射。的电磁辐射称为光辐射。 2、在光学中

17、，用来定量地描述辐射能强度的量有两、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两 类，一类是（类，一类是（ ），另一类是（），另一类是（ ）。）。 3、光具有波粒二象性，既是（光具有波粒二象性，既是（ ），又是（），又是（ ）。光）。光 的传播过程中主要表现为（的传播过程中主要表现为（ ），但当光与物质之间），但当光与物质之间 发生能量交换时就突出地显示出光的（发生能量交换时就突出地显示出光的（ ）。）。 作业作业1.某输出功率为某输出功率为6mW的氦氖激光器，发出波长为的氦氖激光器，发出波长为 0.6328m的光束，均匀地投射到的光束，均匀地投射到0.8cm2的白色屏幕上。的白色屏幕上。 已知

18、屏幕的反射系数为已知屏幕的反射系数为0.96，设光速，设光速C= 3 108m/s，普，普 朗克常数朗克常数 h = 6.626 10-34js ，氦氖激光的视见函数，氦氖激光的视见函数 V(6328) = 0.268， 试求：（试求：（1）幕的光照度为多少）幕的光照度为多少lx？ （2）幕的反射出射度为多少）幕的反射出射度为多少lx？ （3）幕每秒钟接收多少个光子？）幕每秒钟接收多少个光子？ 作业作业2.在距离标准钨丝灯在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头，远处放置一个照度计探头， 已知探头的光敏面积为已知探头的光敏面积为0.5 cm2，若照度计测得的最大照，若照度计测得的最大照 度为

19、度为100(lx)，试求，试求 1、 标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少？标准钨丝灯在该方向的发光强度为多少？ 2、所发出的光通量为多少？、所发出的光通量为多少？ 1. 1. 辐射效率辐射效率 2 1 e e e d PP 光源的基本特性参数光源的基本特性参数 在给定的在给定的12波长范围内，某一光源发出的辐射波长范围内，某一光源发出的辐射 通量与产生这些辐射通量所需的电功率比称为在通量与产生这些辐射通量所需的电功率比称为在 规定光谱范围内的辐射效率。规定光谱范围内的辐射效率。 780 380 e v v m Vd PP 2. 2. 发光效率发光效率 光源的基本特性参数光源的基本特性参数 某一

20、光源所发射的光通量与产生这些光通量某一光源所发射的光通量与产生这些光通量 所需的电功率之比称为该光源的发光效率。所需的电功率之比称为该光源的发光效率。 p/32 光通量 光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即为 辐射通量（或辐射功率）能够被人眼视觉系统所能够被人眼视觉系统所 感受感受的那部分有效当量有效当量。 ； 常见电一只40W的日光灯输出的光通量大约是 2100流明 发光效率发光效率，是指1W的电功率能转化成多少光通量的电功率能转化成多少光通量。 常见光源的大致效率（流明/瓦） 白炽灯，15 日光灯，50 钠灯，120 白光LED 25 lm/W ？ 光度学基础知识 若令其最大值为若令其

21、最大值为1 1，将光谱功率分布进行归一化，将光谱功率分布进行归一化， 那么经过归一化后的光谱功率分布称为那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功相对光谱功 率分布率分布。 3. 3. 光谱功率分布光谱功率分布 自然光源和人造光源大都是由多单色光组成的复自然光源和人造光源大都是由多单色光组成的复 色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功 率，常用率，常用光谱功率分布光谱功率分布来进行描述。决定光源颜色来进行描述。决定光源颜色 的客观因素就是它的光谱功率分布；的客观因素就是它的光谱功率分布； 典型白光典型白光LED相相 对光谱分布曲线对光谱分布曲

22、线 峰值波长峰值波长 2 1：谱：谱 线带宽，即线带宽，即 半峰值宽度。半峰值宽度。 3. 3. 光谱功率分布光谱功率分布 P 0 (a) 线状光谱 P 0 (b) 带状光谱 P 0 (c) 连续光谱 P 0 (d) 混合光谱 低压汞灯低压汞灯 激光激光 高压汞灯高压汞灯 高压钠灯高压钠灯 热辐射光源热辐射光源 钨灯钨灯 日常荧光灯日常荧光灯 常见的几种光谱分布常见的几种光谱分布 典型光谱功率分布曲线典型光谱功率分布曲线 4. 4. 空间光强分布空间光强分布 利用配光曲线，提高光的利用率利用配光曲线，提高光的利用率 v对于对于各向异性光源各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同，其发光强

23、度在空间各方向上是不相同 的，若在空间某一截面上自原点向各个径向取矢量，就得到的，若在空间某一截面上自原点向各个径向取矢量，就得到 了光源在该截面的发光强度曲线，即配光曲线。了光源在该截面的发光强度曲线，即配光曲线。配光曲线表配光曲线表 示一个灯具或光源发射出的光强在空间中的分布情况示一个灯具或光源发射出的光强在空间中的分布情况。 5. 5. 光源的分布温度光源的分布温度 辐射源在某一波长范围内辐射的相对光辐射源在某一波长范围内辐射的相对光 谱功率分布与黑体在谱功率分布与黑体在某一温度下某一温度下辐射的相对辐射的相对 光谱功率分布一致，那么光谱功率分布一致，那么该黑体的温度该黑体的温度就称就称

24、 为为该辐射源的分布温度该辐射源的分布温度。 用黑体辐射特性近似表示一般非黑体辐射光用黑体辐射特性近似表示一般非黑体辐射光 源的辐射特性，黑体的温度决定了它的光辐射特源的辐射特性，黑体的温度决定了它的光辐射特 性，对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐性，对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐 射的特性近似的表示。对于一般光源，经常用分射的特性近似的表示。对于一般光源，经常用分 布温度、色温或相关色温表示。布温度、色温或相关色温表示。 5. 5. 光源的色温光源的色温 辐射源发射光的颜色辐射源发射光的颜色与黑体在与黑体在某一温度下辐某一温度下辐 射光的颜色射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该

25、辐射相同，则黑体的这一温度称为该辐射 源的源的色温色温。 由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所 以以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不 一定相同。一定相同。 请注意，光源的色温与光源本身 的温度是两回事，通常两者是不相 同的。例如白炽灯光源本身温度为 2800K，但其色温是2845K。 LED 几种标准光源几种标准光源 A A光源：色温为光源：色温为2845K2845K，相当于白炽灯在，相当于白炽灯在2800K2800K 时辐射出的光。时辐射出的光。 B B光源：相关色温为光源：相关色温为4800K4800K

26、，相当于中午直射，相当于中午直射 的日光。的日光。 C C光源：相关色温为光源：相关色温为6700K6700K，相当于白天的自，相当于白天的自 然光，它的蓝色成分较多。然光，它的蓝色成分较多。 D65D65光源：相关色温为光源：相关色温为6500K6500K，相当于白天平，相当于白天平 均光照。均光照。 标准光源和色温标准光源和色温 4. 4. 光源的色温光源的色温 当绝对黑体的温度增高时，最大的发射本领向短当绝对黑体的温度增高时，最大的发射本领向短 波方向移动波方向移动, ,所以色温较高的光源，其发出的辐射能所以色温较高的光源，其发出的辐射能 较多地分布在波长较短的绿光和蓝光之中；而色温较多

27、地分布在波长较短的绿光和蓝光之中；而色温 较低的光源，其辐射能较多地分布在波长较长的红较低的光源，其辐射能较多地分布在波长较长的红 光中。因此，在上述几种标准白光中，色温较低者，光中。因此，在上述几种标准白光中，色温较低者， 偏红；色温较高时，偏蓝。偏红；色温较高时，偏蓝。 绝对黑体温度与辐射峰值波长对应值绝对黑体温度与辐射峰值波长对应值 绝对黑体绝对黑体 温度（温度（K） 1000200030004000500060007000 辐射峰值辐射峰值 波长（波长（um） 2.898 1.449 0.966 0.725 0.580 0.483 0.415 不同色温的光源在色度图不同色温的光源在色度

28、图 中的位置，可见不同色温中的位置，可见不同色温 的光，其颜色也不同。的光，其颜色也不同。 6. 6. 光源的相关色温光源的相关色温 对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑 体辐射的颜色都不相同，这时的光源用体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温相关色温 表示。在表示。在均匀色温度图均匀色温度图中，如果光源的中，如果光源的色坐标点色坐标点 与与某一温度下某一温度下的黑体辐射的的黑体辐射的色坐标色坐标最接近，则该最接近，则该 黑体的温度称为该光源的相关色温。黑体的温度称为该光源的相关色温。平时我们所平时我们所 说的色温大多是指相关色温说的色温大多是指相关

29、色温。 人工光源中，只有白炽灯与黑体加热发光相似，其色人工光源中，只有白炽灯与黑体加热发光相似，其色 温为温为2856K2856K，呈现的昏黄色与黑体在，呈现的昏黄色与黑体在2856K2856K时发出的颜色一时发出的颜色一 样，而灯丝也接近此温度。样，而灯丝也接近此温度。其它人工光源的光色，不是黑其它人工光源的光色，不是黑 体辐射，只能比照黑体辐射同颜色时的温度体辐射，只能比照黑体辐射同颜色时的温度。 色表：色表：眼睛直接观察光源时看到的颜色，即色眼睛直接观察光源时看到的颜色，即色 表，是衡量光源色的指标。表，是衡量光源色的指标。 高压钠灯：黄色；荧光灯：白色高压钠灯：黄色；荧光灯：白色 7.

30、 7. 光源的颜色光源的颜色 显色性：显色性：光源照射到物体后，人眼所看到光源照射到物体后，人眼所看到 的物体外观呈现的色彩客观效果。用显色指的物体外观呈现的色彩客观效果。用显色指 数数RaRa表示，是衡量光源视觉质量的指标。表示，是衡量光源视觉质量的指标。 显色性好（显色性好（Ra70）显色性差显色性差(Ra65) 发光体（太阳光）的显色性Ra=100。即任何物体在 太阳光的照射下，该物体具有最真实的颜色或质感 B4 Project Confidential 附附：1.色调：色调：彩色物体的色调决定与在光照明下反射光的光谱成分。例 如，某物体在日光下呈现绿色 是因为它反射的光中绿色成分占优势，而其它成分被吸收 掉了。对于透射光，其色调则 由透射光的波长分布或光谱所决定； 2.色度：色度：色调和饱和度的合称，并不能反映明亮度。 颜色与色度颜色与色度 颜色颜色 黑灰白黑灰白 彩色彩色 明度：颜色的明亮程度明度：颜色的明亮程度 色调：颜色的类别色调：颜色的类别 饱和度：颜色的纯度饱和度：颜色的纯度 色度色度 Relationship B4 Pr