辐射度与光度基础课件.ppt

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1、辐射度与光度基础第1页，此课件共48页哦由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐辐射射度度单单位位描描述述的的光光辐辐射射不不能能正正确确反反应应人人的的亮亮暗暗感感觉觉。光度单位体系是一套反映视视觉觉亮亮暗暗特特性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，被选作基基本本单单位位的的不不是是光光量量或或光光通通量量，而而是是发发光光强强度度，其其单单位位是是坎坎德德拉拉。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。光度的基本物理量光

2、度的基本物理量2第2页，此课件共48页哦 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光强度单位坎德拉坎德拉(Candela)，记作，记作cd，它是国际单位制中七个基本单位之，它是国际单位制中七个基本单位之一。其定义是一。其定义是555nm波长的波长的单色辐射单色辐射，在给定方向上的，在给定方向上的辐射强度辐射强度为为1683Wsr-1时，在该方向上的发光强度为时，在该方向上的发光强度为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的均匀的均匀点光源在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

3、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积上所产生的光照度。第3页，此课件共48页哦 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，一般情况下，对情况下，对绿光最灵敏，对红光灵敏度较差绿光最灵敏，对红光灵敏度较差绿光最灵敏，对红光灵敏度较差绿光最灵敏，对红光灵敏度较差。视见函数：视见函数：国际照明委员会国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的的平

4、均相对灵敏度平均相对灵敏度平均相对灵敏度平均相对灵敏度，称为，称为“标准光度观察者标准光度观察者”的的光谱光视光谱光视效率效率V(),(),或称视见函数或称视见函数。第4页，此课件共48页哦 两种度量单位的转换两种度量单位的转换1.光谱光视效能光谱光视效能K()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，接收器对不的，接收器对不同波长电磁辐射的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)称为称为光谱响应度光谱响应度或或光谱灵敏度光谱灵敏度。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()来表征不同波长辐射来表征不同波长辐射下的响应能力，下

5、的响应能力，光谱光视效能光谱光视效能K()K()为为同一波长下光谱光同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比通量与光谱辐通量之比:第5页，此课件共48页哦2.2.光谱光视效率（视见函数）光谱光视效率（视见函数）V()V()由于人眼在频率为由于人眼在频率为 (m=555nm，该波长称为峰值波长该波长称为峰值波长)的辐射下，的辐射下，K()K()最大，记以最大，记以 ，即，即光功当量光功当量。定义。定义光谱光视效率光谱光视效率V(V()为某一波为某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能长的光谱光视效能与最大光谱光视效能Km之比之比：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究，可。根据

6、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。统计出各种波长的平均相对灵敏度。第6页，此课件共48页哦光度量与辐射量的关系光度量与辐射量的关系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。第7页，此课件共48页哦 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值。所引起的视觉强度值。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 Km为为辐射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

7、流明，单位为流明/瓦，瓦，Km683lm/W，它表示在波长为，它表示在波长为555nm处，即人眼光谱处，即人眼光谱光视效率最大光视效率最大（V()=1）处处,与与1w1w的辐射能通量相当的光通量为的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句话，；换句话，此时此时1 1lm相当于相当于1/683W第8页，此课件共48页哦 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发出所发出的的光通量光通量，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。3 3、光出射度光出射度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的光通所发

8、出的光通量，称为光源在该点的光出射度。量，称为光源在该点的光出射度。第9页，此课件共48页哦 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光通：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。量，称为该点的光照度。第10页，此课件共48页哦 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,与被照物和人与被照物和人的感受无关的感受无关.照度照度光通量光通量面积面积例如：例如：用一只发光为用一只发光为17501750流流明的明的100100瓦白炽灯泡照瓦

9、白炽灯泡照明一个明一个33339 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勒克斯勒克斯第11页，此课件共48页哦 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在给定方向上的在给定方向上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影面正投影面积之比积之比，称为光源在该方向上的亮度。，称为光源在该方向上的亮度。为给定方向与面元法为给定方向与面元法线间的夹角。线间的夹角。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。第1

10、2页，此课件共48页哦 光度量只在光谱的光度量只在光谱的可见波段可见波段可见波段可见波段(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Mlm/m2辐射亮度辐射亮度LeW/sr.m2光亮度光亮度Lcd/m2第13页，此课件共48页

11、哦例例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，试计，试计算其发出的光通量为多少算其发出的光通量为多少lm？假设？假设V()=0.24v,=K,e*e,=KmV()e,=6830.24310-3=0.492(lm)第14页，此课件共48页哦LEDLED的光参数的光参数第15页，此课件共48页哦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110460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540瓦白炽灯瓦白炽灯0.5白色发光漆白色发光漆310-6He

12、-Ne激光器（激光器（10mW，d=1mm）7107第16页，此课件共48页哦两款摄影用测光表，可两款摄影用测光表，可以测量亮度以测量亮度第17页，此课件共48页哦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第18页，此课件共48页哦常见照度计常见

13、照度计第19页，此课件共48页哦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第20页，此课件共48页哦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 例如：太阳 荧光屏 毛玻璃灯罩两条基本定律两条基本定律第21页，此课件共48页哦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 两条基本定律两条基本定律第22页，此课件共48页哦2.2.距离平方反比定律距离平方反比定律 用用点点光光源源照照明明时时

14、，被被照照面面的的照照度度E与与光光源源的的发发光光强强度度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的平方成反比。的平方成反比。第23页，此课件共48页哦第24页，此课件共48页哦如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线的夹如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线的夹角为角为，则：，则：对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光出射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，其中度与光照度成正比，其中为为漫反射率漫反射率，它小于，它小于1，它与表面的性质无关。它与表面的性质无关。第25页，此课件共48页哦关于光度量，正确的是（关于光度量，正确的是（）A、

15、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 第26页，此课件共48页哦填空题：填空题：1、通通常常把把对对应应于于真真空空中中波波长长在在（）到到（）范范围围内内的的电电磁磁辐射称为光辐射。辐射称为光辐射。2、在在光光学学中中，用用来来定定量量地地描描述述辐辐射射能能强强度度的的量量有有两两类类，一一类是（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（）。光的传播）。光的传播过程中主要表

16、现为（过程中主要表现为（），但当光与物质之间发生能量交），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（换时就突出地显示出光的（）。）。第27页，此课件共48页哦作业作业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。已知屏的白色屏幕上。已知屏幕的反射系数为幕的反射系数为0.96，设光速，设光速C=3 108m/s，普朗克常数，普朗克常数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

17、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？第28页，此课件共48页哦作业作业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，已知探远处放置一个照度计探头，已知探头的光敏面积为头的光敏面积为0.5cm2，若照度计测得的最大照度为，若照度计测得的最大照度为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？第29页，此课件共48页哦1.1.辐射效率辐射效率光源的基本特性参数光源的基本特性参数在给定的在给

18、定的12波长范围内，某一光源发出的辐射通波长范围内，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规定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。光谱范围内的辐射效率。第30页，此课件共48页哦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光源所发射的光通量与产生这些光通量所需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。的电功率之比称为该光源的发光效率。第31页，此课件共48页哦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感受能够被人眼视觉系统所感受的那部分有效当

19、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LED25lm/W？光度学基础知识第32页，此课件共48页哦 若令其最大值为若令其最大值为1 1，将光谱功率分布进行归一化，那么，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经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布相对光谱功率分布。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色自然光源和人造光源大都是由多单色光组成的复色光。不

20、同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用常用光谱功率分布光谱功率分布来进行描述。决定光源颜色的客观来进行描述。决定光源颜色的客观因素就是它的光谱功率分布；因素就是它的光谱功率分布；典型白光典型白光LED相对光相对光谱分布曲线谱分布曲线第33页，此课件共48页哦峰值波长峰值波长21：谱：谱线带宽，即半线带宽，即半峰值宽度。峰值宽度。第34页，此课件共48页哦3.3.光谱功率分布光谱功率分布0(a)线状光谱0(b)带状光谱0(c)连续光谱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

21、荧光灯日常荧光灯第35页，此课件共48页哦常见的几种光谱分布常见的几种光谱分布第36页，此课件共48页哦典型光谱功率分布曲线典型光谱功率分布曲线第37页，此课件共48页哦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的，若在空，其发光强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，就得到了光源在该截面的发光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。强度曲线，即配光曲线。配光曲线表示一个灯具或光源发射出的光强配光曲线表示一

22、个灯具或光源发射出的光强在空间中的分布情况在空间中的分布情况。第38页，此课件共48页哦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谱功率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分布与黑体在某一温度下某一温度下辐射的相对光谱功率分辐射的相对光谱功率分布一致，那么布一致，那么该黑体的温度该黑体的温度就称为就称为该辐射源的分该辐射源的分布温度布温度。用黑体辐射特性近似表示一般非黑体辐射光源的辐射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性，对非黑体辐特性，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

23、体辐射的特性近似的表示。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，经常用分布温度、色温或相关色温表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。第39页，此课件共48页哦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射光某一温度下辐射光的颜色的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色色温温。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。相同。请注意，光源的

24、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第40页，此课件共48页哦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时时辐射出的光。辐射出的光。B B光源：相关色温为光源：相关色温为4800K4800K，相当于中午直射的，相当于中午直射的日光。日光。C C光源：相关色温为光源：相关色温为6700K6700K，相当于白天的自然，相当于白天的自然光，它的蓝色成分较多。光，它的蓝色成分较多。D65D65光源：相关色温为光源：相关色温为6500K650

25、0K，相当于白天平均，相当于白天平均光照。光照。标准光源和色温标准光源和色温 第41页，此课件共48页哦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波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方向移动,所以色温较高的光源，其发出的辐射能较多地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；而色温较低的光源，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光中。因此，在上述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，偏红；色温较高时，偏蓝。几种标准白光中，色温较低者，

26、偏红；色温较高时，偏蓝。第42页，此课件共48页哦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）1000 2000 30004000 5000 6000 7000辐射峰值辐射峰值波长波长（um）2.8981.4490.9660.7250.5800.4830.415第43页，此课件共48页哦不同色温的光源在色度图中的不同色温的光源在色度图中的位置，可见不同色温的光，其位置，可见不同色温的光，其颜色也不同。颜色也不同。第44页，此课件共48页哦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体辐射对于一般光源，它的颜色与任

27、何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用的颜色都不相同，这时的光源用相关色温相关色温表示。在表示。在均匀均匀色温度图色温度图中，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的黑体辐射的辐射的色坐标色坐标最接近，则该黑体的温度称为该光源最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。的相关色温。平时我们所说的色温大多是指相关色平时我们所说的色温大多是指相关色温温。人工光源中，只有白炽灯与黑体加热发光相似，其色温为人工光源中，只有白炽灯与黑体加热发光相似，其色温为2856K2856K，呈现的昏黄色与黑体在，呈现的昏黄色与黑体在2856K2856K时发出的颜色一样，而灯丝

28、也接近时发出的颜色一样，而灯丝也接近此温度。此温度。其它人工光源的光色，不是黑体辐射，只能比照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同颜色时的温度。第45页，此课件共48页哦色表：色表：眼睛直接观察光源时看到的颜色，即色表，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。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7.7.光源的颜色光源的颜色 显色性：显色性：光源照射到物体后，人眼所看到的物体光源照射到物体后，人眼所看到的物体外观呈现的色彩客观效果。用显色指数外观呈现的色彩客观效果。用显色指数RaRa表示，是表示，是衡

29、量光源视觉质量的指标。衡量光源视觉质量的指标。第46页，此课件共48页哦显色性好（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第47页，此课件共48页哦附附：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第48页，此课件共48页哦