第二章辐射度光度基础

1、吕勇吕勇 What is radiation? Radiation is energy that travels in the form of waves or particles.1紫外紫外可见可见近红外近红外短波短波红外红外中波中波红外红外长波长波红外红外远红外远红外 ( m)电磁波谱电磁波谱0.01nm1nm0.1 m10 m0.1cm10cm10m1km100km 射线射线光学谱段光学谱段紫外线紫外线x射线射线可见光可见光红外红外微波微波无线电波无线电波EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF光度学色度学 立体角立体角 是描述辐射能向空间发射是描述辐射能向空间发射、传输

2、或被某一表面接收时的发散或、传输或被某一表面接收时的发散或会聚的角度，定义为：会聚的角度，定义为：dsrdddo222dsindddsinddSrrr sindd )2(sin4)cos1 (2sin2200 dddQwdvdQdt (4) 点辐射源在给定点辐射源在给定方向上单位立方向上单位立体角内的辐射通量，单位为体角内的辐射通量，单位为W/Sr ( (瓦每球面度瓦每球面度) ) 。对于各向异性的辐射源有对于各向异性的辐射源有dId对点光源的辐射强度描述对点光源的辐射强度描述eeIIeIe4,200)(dsin)(dd ),(均均匀匀点点光光源源d VIV(5) 光源在垂直其辐射光源在垂直其

3、辐射方向上方向上。 光源微面元辐强度特性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、灯丝之灯丝、灯丝之间的空隙间的空隙)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，则用在描述天空辐射特性时，希望知道其各部分的辐射特性，

4、则用辐亮度可描述天空各部分辐亮度分布的特性。辐亮度可描述天空各部分辐亮度分布的特性。2coscosddILddAdA 即即在单位面元上的辐射通量。即在单位面元上的辐射通量。即dMdAdEdA(8) 吸收比吸收比(率率)、反射比、透射比、反射比、透射比 isra1 / , / , /isiriairsa 人眼的视网膜人眼的视网膜(Retina)(Retina)上布满了大量的感官细胞，即杆状细上布满了大量的感官细胞，即杆状细胞胞(rods)(rods)和锥状细胞和锥状细胞(cones)(cones)。灵敏度高，它能感受微弱光刺激；灵敏度高，它能感受微弱光刺激；感光灵感光灵敏度低，但能很好的区别颜色

5、和辨别被视物的细节。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，对绿光最灵敏度是不一样的，对绿光最灵敏，而对红、蓝光最低。灵敏，而对红、蓝光最低。l0.29R+0.6G+0.11B310-5cd/m23cd/m23105cd/m2暗视觉暗视觉明视觉明视觉中介视觉中介视觉 )dV()(780380emVK例题？例题？人眼的光视效能人眼的光视效能K （lm/W） mKKV/ )()(00( )( )( )meVmeeKVdKK Vd视见函数，光视效率视见函数，光视效率V( )是是(或称视见函数或称视见函数) 。对于。对于明视

6、觉，对应为辐射通量明视觉，对应为辐射通量 e(555nm)与某波长与某波长 能对平均人眼产能对平均人眼产生相同光视刺激的辐射通量生相同光视刺激的辐射通量 e( )的比值。的比值。Km是最大光谱光视效是最大光谱光视效能能(常数常数)，按照国际实用温标，按照国际实用温标IPTS68的理论计算，对于明视的理论计算，对于明视觉，觉，Km=683 lm/W。对暗视觉，。对暗视觉，K m=1725 lm/W。)dV()(780380emVXKX：常见光源的光视效能常见光源的光视效能dvdQwvvdtdQvvdId2/cos/cosLdddAdI dAdsdQMvvdsdQEvv的单位坎德拉的单位坎德拉(C

7、andela, cd) cd是国际单位制的七个基本单位之一是国际单位制的七个基本单位之一 定义：当频率为定义：当频率为 5401012Hz (=555nm in air)的的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683Wsr-1时，则在该方向上的发光强度为时，则在该方向上的发光强度为1cd。的单位是的单位是，它是发光强度为，它是发光强度为1cd的的均匀点光源在单位立体角均匀点光源在单位立体角(1sr)内的发出的光通量。内的发出的光通量。- 投影仪投影仪-的单位是的单位是，它相当于，它相当于1lm的光通量的光通量均匀地照在均匀地照在1m2面积上所产生的光照度。面

8、积上所产生的光照度。 ：某一物体某一物体( (或发光体或发光体) )的表面亮度是该物体单位面的表面亮度是该物体单位面积向视线方向发出的发光强度。亮度用符号积向视线方向发出的发光强度。亮度用符号LvLv表示，其表示，其单位为单位为坎德拉坎德拉/ /每平方米每平方米(cd/m(cd/m2 2) )。 由于物体在各个方向的亮度不一定相同，因此常在符号由于物体在各个方向的亮度不一定相同，因此常在符号L L的右下角注明角度，用以表示与物体表面法线成的右下角注明角度，用以表示与物体表面法线成角方角方向的亮度。向的亮度。 物体的亮度越高，人们就会感到它越亮。物体的亮度越高，人们就会感到它越亮。 cosSIL

9、vaVa (1) e e (W/m ；W/nm ) 辐射源发出的光在波长辐射源发出的光在波长 处的单位波长间隔内的辐射通量处的单位波长间隔内的辐射通量 e(e() )de e /d (2) Ie ( () ) =dIe /d (3) Ee ( () ) =dEe /d (4) Me ( ( ) ) =dMe /d (5) Le ( () ) =dLe /d (6)d)(0)(线状或带状谱光源线状或带状谱光源连续谱光源连续谱光源朗伯余弦定律朗伯余弦定律消光与大气窗口消光与大气窗口 cos0II 按照按照coscos 规律发射光通量的规规律发射光通量的规律，叫朗伯定律；律，叫朗伯定律； 余弦辐射体

10、可以是自发光面，余弦辐射体可以是自发光面，也可以是透射或反射体；也可以是透射或反射体； 黑体，太阳和平面灯丝钨丝等黑体，太阳和平面灯丝钨丝等可视为余弦辐射体；可视为余弦辐射体； 一个均匀的球形余弦发射体，一个均匀的球形余弦发射体，从远处的观察者看来，与同样从远处的观察者看来，与同样半径同样亮度的圆盘无疑。半径同样亮度的圆盘无疑。dS*dSLNcLSISISIdSdLNNNdcosdcosd),(dcoscosLSMSLSLSLSLddddcossindddcosdddcosd2020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

11、，且等于亮度，且等于M/。)(blackbodyLL 实际中有相当一大类发射体，它们发出的光束集中实际中有相当一大类发射体，它们发出的光束集中在一定的立体角内，即亮度有一定的方向性，成像在一定的立体角内，即亮度有一定的方向性，成像光学仪器发出的光束都有这样的特征。光学仪器发出的光束都有这样的特征。 在亮度具有方向性方面最突出的例子是激光器。在亮度具有方向性方面最突出的例子是激光器。 激光器发出的光束通常是截面很小，且高度平行。激光器发出的光束通常是截面很小，且高度平行。从而用不大的辐射功率就可获得很大的辐射亮度。从而用不大的辐射功率就可获得很大的辐射亮度。22221cosdddcosddcos

12、dd.ddddddIAEdAIIddAOdAIAE 所张的立体角。所张的立体角。对点源对点源为为 cosdAOdA面面上上形形成成的的照照度度为为在在角角。点点光光源源方方向向成成其其法法线线与与处处有有一一面面积积元元，在在距距离离光光源源为为的的发发光光强强度度为为设设点点光光源源AOrAdIOd,d 21111111coscosdIdLdAdAd 22222cosdLdAd 而而2212cosdAdr 1122cosdAdr 2dA2d11d2 r，dA122n111n2dAL2L12211sinsin nn ddsind ,ddsindcosddcosddd2211222111122

13、而而ALAL212211222112211sindsinddcossindcossincosdcosd nnnn 222211nLnL 12012LnnL在干洁大气中，大气消光取在干洁大气中，大气消光取决于空气密度和辐射通过的决于空气密度和辐射通过的大气层厚度。大气层厚度。大气中有气溶胶粒子及云雾大气中有气溶胶粒子及云雾粒子群时其消光作用增强；粒子群时其消光作用增强；在地面基本观测不到波长在地面基本观测不到波长 0.30.3 m m的短波太阳紫外辐射的短波太阳紫外辐射；地面观测到的太阳光谱中有地面观测到的太阳光谱中有明显的吸收带。明显的吸收带。n大气消光大气消光：大气对辐射强度的衰减。其基本特点如下：大气对辐射强度的衰减。其基本特点如下：大气散射：大气散射：大气吸收大气吸收:。 0( , )( , )( , ) ( )( , )( , ) ( )( , )ln( , )( , ) ( )sdsksss dsdskss dssskss ds sdsssks0)(),(exp)0 ,(),()(exp),()(exp),()(exp),(),( lksks0