辐射学和光度量学基本概念

1、辐射学和光度量学基本概念,辐射度学研究各种电磁辐射的传播和量度，包括可见光区域。 辐射度学单位是纯粹物理量的单位，例如，熟悉的物理学单位焦耳和瓦特就是辐射能和辐射功率的单位； 光度学所讨论的内容仅是可见光波的传播和量度，因此光度学的单位必须考虑人眼的响应，包含了生理因素。例如，光度学中光功率的单位不用瓦特而用流明。,辐射度学基本物理量,辐射功率(辐射能通量)e 对辐射源来说，其辐功率定义为单位时间内向所有方向发射的能量，对于电磁波的传播来说，辐功率的定义是单位时间通过某一截面的辐射能。单位为W(瓦特)。 辐射强度 Ie点状辐射体在不同方向上的辐射特性用辐强度Ie表示。若在某方向上，一个小立体角

2、d内的辐通量为de，则点源在该方向的辐强度Ie为: ,单位为W/sr(瓦/球面度)。,辐射亮度(或称辐射度) Le对于小面积的面辐射源，以辐亮度Le来表示其表面不同位置在不同方向上的辐射特性。 一小平面辐射源的面积为dS，与dS的法线夹角的方向上有一面元dA。若dA所对应的立体角d内的辐通量为de ，则面源在此方向上的辐亮度为:式中是面辐射源正对dA的有效面积。辐亮度Le就是该面源在某方向上单位投影面积辐射到单位立体角的辐通量。单位为W/(m2sr)。,辐射出射度 Me 辐出度只表示面辐射源表面不同位置的辐射特性，而不考虑辐射方向。其定义为：面辐射源的单位面积上辐射的辐通量，也就是把辐亮度Le

3、对所有可能方向的角积分，即 ,单位为W/m2。 辐射照度 Ee它表示每单位受照面接受的辐通量，即 ,单位为W/m2。 这里无需考虑面元dA所接受的辐通量来自何方，故与该面的取向无关。,光度学基本物理量,人眼是最常用也是最重要的可见光接受器。它对不同波长的电磁辐射有不同的灵敏度，而且不同人的眼睛，其灵敏度也有差异。 为了从数量上描述人眼对各种波长辐射能的相对敏感度，引入视见函数V。国际照明委员会从许多人的大量观察结果中取其平均值，得出视见函数的曲线如图所示，图中虚线是暗视觉视见函数，实线是明视觉视见函数。 人眼对于波长为555nm的绿色光最敏感，取其视见函数值为1。其它的波长V 1，而在可见光谱

4、以外的波段V =0 。,光通量 v为了从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强度，引入一个新的物理量，称为光通量，也称为光功率。定义为 :光通量的单位为1m，称为流明；比例系数C=683lm/W。 发光强度 Iv与辐射度学的辐强度很相似，定义为：发光强度的单位应是lm/sr，(流明每球面度)，cd(坎德拉 ).,亮度 Lv 面光源的亮度定义为: ,其单位为cd/m2。 光出射度 Mv它过去也称为面发光度。其定义为面光源从单位面积上辐射的光通量，即 ,单位为lm/m2, lx(勒克斯 )。,照度 Ev入射到单位面积上的光通量称为照度，即 , 单位为lx(勒克斯).,根据眼睛的视见函数V，可将辐射度学单

5、位表示的量值换算为以光度学单位表示的相应值。例如，已知某一波长的光谱辐照度Ee时，与之相当的光谱照度Ev为 :如果照明光源不是单色的，则总的照度可用积分求出:,黑体辐射定律,黑体辐射定律 绝对黑体：任何温度、任何波长的入射辐射的吸收比都等于1。 1,基尔霍夫（kirchhoff）定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度。 （强吸收体也必是强发射体。）,黑体辐射定律 2,普朗克（Plank）辐射公式：短波或温度不高时，,黑体辐射定律 3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law ）黑体总辐出度：是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定,黑体

6、辐射定律 3,斯蒂芬-玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law ）绝对黑体： 其中一般物体： e为物体的发射率（emissivity ）热辐射：,黑体辐射定律 4,维恩位移定律 (Wiens Displacement Law )将普朗克公式对波长求微分后令其等于0，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长m与绝对温度T的关系为： m（峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的乘积是常数。）代入Plank公式，黑体的峰值光谱辐出度 ：,黑体辐射定律 4,维恩位移定律 (Wiens Displacement Law )当黑体温度升高时，辐射曲线的峰值波长向短波长方向移动。,例题：若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少m？峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,m又为多少？,Solution:(1)绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据